Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2008.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--München.

Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

Biological systems are in dynamic interaction. Many responses reside in the core concepts of biological systems interplay (competition and cooperation). In infection situation, the competition between a bacterial system and a host is shaped by many stressors at spatial and temporal determinants. Reactive chemical species are universal stressors against all biological systems since they potentially damage the basic requirements of these systems (nucleic acids, proteins, carbohydrates, and lipids). Either produced endogenously or exogenously, reactive chemical species affect the survival of pathogens including the gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus). Therefore, bacteria developed strategies to overcome the toxicity of reactive species. S. aureus is a widely found opportunistic pathogen. In its niche, S. aureus is in permanent contact with surrounding microbes and host factors. Deciphering the deterministic factors in these interactions could facilitate pinpointing novel bacterial targets. Identifying the aforementioned targets is crucial to develop new strategies not only to kill the pathogenic organisms but also to enhance the normal flora to minimize the pathogenicity and virulence of potential pathogens. Moreover, targeting S. aureus stress response can be used to overcome bacterial resistance against host-derived factors. In this study, I identify a novel S. aureus stress response factor against reactive electrophilic, oxygen, and hypochlorite species to better understand its resilience as a pathogen. Although bacterial stress response is an active research field, gene function is a current bottleneck in characterizing the understudied bacterial strategies to mediate stress conditions. I aimed at understanding the function of a novel protein family integrated in many defense systems of several biological systems. In bacteria, fungi, and plants, old yellow enzymes (OYEs) are widely found. Since the first isolation of the yellow flavoprotein, OYEs are used as biocatalysts for decades to reduce activated C=C bonds in α,β-unsaturated carbonyl compounds. The promiscuity of the enzymatic catalysis is advantageous for industrial applications. However, the physiological function of OYEs, especially in bacteria, is still puzzling. Moreover, the relevance of the OYEs in infection conditions remained enigmatic.   Here, I show that there are two groups of OYEs (OYE flavin oxidoreductase, OfrA and OfrB) that are encoded in staphylococci and some firmicutes. OfrA (SAUSA300_0859) is more conserved than OfrB (SAUSA300_0322) in staphylococci and is a part of the staphylococcal core genome. A reporter system was established to report for ofrA in S. aureus background. The results showed that ofrA is induced under electrophilic, oxidative, and hypochlorite stress. OfrA protects S. aureus against quinone, methylglyoxal, hydrogen peroxide, and hypochlorite stress. Additionally, the results provide evidence that OfrA supports thiol-dependent redox homeostasis. At the host-pathogen interface, OfrA promotes S. aureus fitness in murine macrophage cell line. In whole human blood, OfrA is involved in S. aureus survival indicating a potential clinical relevance to bacteraemia. In addition, ofrA mutation affects the production of the virulence factor staphyloxanthin via the upper mevalonate pathway. In summary, decoding OfrA function and its proposed mechanism of action in S. aureus shed the light on a conserved stress response within multiple organisms. / Biologische Systeme unterliegen ständig dynamischen Interaktionen. Diese werden geprägt von Konkurrenz und Kooperation. Im Falle einer Infektion wird die Konkurrenz zwischen einem bakteriellen Organismus und dem infizierten Wirt von der Einwirkung vieler Stressoren in allen biologischen Nischen geprägt. Eine fundamentale Rolle spielen dabei reaktive chemische Verbindungen die als universale Stressoren alle biologischen Systeme mit ihren fundamentalen Makromolekülen (Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide) potenziell schädigen. Reaktive chemische Verbindungen, entweder endogen oder exogen gebildet, beeinträchtigen das Überleben aller Pathogene, auch das Überleben des in dieser Arbeit behandelten gram-positiven Bakteriums Staphylococcus aureus (S. aureus). Um die lebensbedrohende Toxizität der reaktiven Verbindungen zu umgehen, haben Bakterien eine Vielzahl hoch spezialisierter Überlebensstrategien entwickelt. S. aureus ist ein weit verbreiteter opportunistischer Krankheitserreger. Er unterliegt dem permanenten Kontakt mit dem umgebenden Mikrobiom und den verschiedenartigen Wirtsfaktoren. Das Wissen um die Mechanismen der bakteriellen Stressabwehr während einer Pathogen-Wirts-Beziehung könnte als Grundlage für die Identifizierung neuer antibakterieller Zielstrukturen dienen. Eine spezifische Inaktivierung solcher Strukturen könnte dann den pathogenen Organismus schädigen ohne die normale Flora zu schwächen. Ferner können Untersuchungen an der Stressantwort von S. aureus genutzt werden, um die bakterielle Resistenz gegen wirtseigene Faktoren zu schwächen. Im Mittelpung dieser Arbeit steht die Charakterisierungeines neuartigen Faktors in der Stressantwort von S. aureus, der sowohl gegen elektrophilen Stress als auch gegen reaktive Sauerstoff- und Hypochlorit-Verbindungen aktiv ist. Die Ergebnisse der Arbeiten tragen zu einem besseren Verständnis der Stressantwort von dem wichtigen pathogenen Bakterium S. aureus bei. Trotz der Tatsache, dass die Untersuchung bakterieller Stressantworten Gegenstand der aktuellenForschung ist, sind viele Prozesse und die daran beteiligten Faktoren nur unzureichend charakterisiert. Daher war die Zielsetzung dieser Thesisdie Funktion eines Vertreters einer neuen Proteinfamilie, die mglw. in vielen Abwehrsystemen gegen chemische Stressoren eine wichtige Rolle spielt, zu untersuchen. Die von Otto Warburg erstmalig als “old yellow enzymes” (OYEs) bezeichnete Proteinfamilie ist im Bakterien-, Pilz- und Pflanzenreich weit verbreitet. Nach der erstmaligen Isolation des gelben Flavoproteins, werden OYEs seit vielen Jahrzehnten als Biokatalysatoren verwendet, um aktivierte C=C-Doppelbindungen in α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen zu reduzieren. Die Promiskuität der enzymatischen Katalyse ist für industrielle Anwendungen sehr vorteilhaft. Nichtsdestotrotz konnte die physiologische Funktion von OYEs besonders in Bakterien bislang nur ansatzweise aufgeklärt werden und die Beteiligung der OYEs unter Infektionsbedingungen ist weiterhin unbekannt. In dieser Arbeit wurden zwei Vertreterder OYEs (OYE flavin oxidoreductase OfrA und OfrB) im Genom von Staphylokokken und Firmicuten identifiziert. OfrA (SAUSA300_0859) ist in Staphylokokken stärker konserviert als OfrB (SAUSA300_0322) und ist Teil des Kerngenoms. Es wurde ein Reportersystem etabliert, um die Expression von ofrA in S. aureus-Stämmen zu untersuchen. Die Daten dieser Arbeit zeigen, dass ofrA unter elektrophilen, oxidativen und hypochloriten Stressbedingungen induziert wird. OfrA schützt S. aureus vor Stress durch Quinone, Methylglyoxal, Wasserstoffperoxid und Hypochlorit. Weiterhin liefern die Ergebnisse Evidenz, dass OfrA die Thiol-abhängige Redox-Homöostase unterstützt. Weiterhin ist OfrA an der Fitness und dem Überleben von S. aureus nach Phagozytose in murinen Makrophagen beteiligt. Das Überleben von S. aureus in humanem Vollblut war ebenfalls sehr stark von der OfrA Expression abhängig. Somit kann auf eine wichtige Rolle von OfrA während des Infektionsgeschehens z.B. bei Bakteriämie geschlossen werden. Weiterhin zeigt sich, dass Mutationen in ofrA, die Produktion des Virulenzfaktors Staphyloxanthin über den oberen Mevalonatweg beeinflussen. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit neue Einblicke in die Funktion und Verbeitung von OfrA, einem neuen Vertreter aus der Klasse der OYEs. Die vorliegenden Ergebnisse ermöglichen somit auch ein besseres Verständnis konservierter Strategien der Stressantwort bei Bakterien und deren Bedeutung während des Infektionsgeschehens.

Staphylococcus aureus reagiert auf veränderte Umweltbedingungen wie Hitze, pH und Chemikalien mit Hilfe globaler Regulatoren wie dem Sae (S. aureus exoprotein expression) Zweikomponenten-System. Subinhibitorische Konzentrationen einiger Antibiotika können die Expression von Virulenzfaktoren erhöhen. In dieser Arbeit wurde die Stressantwort von S. aureus auf subletale Konzentrationen des geläufigen Desinfektionsmittels Perform® untersucht. Dazu wurden biochemische Methoden wie SDS-PAGE und Massen-Spektrometrie sowie molekularbiologische Methoden wie qRT-PCR und Promotoraktivitäts-Assays eingesetzt. Davon abhängige, funktionelle Veränderungen wurden in durchfluss-zytometrischen Invasions-Assays analysiert. Perform wirkt durch die Bildung von reaktiven Sauerstoff-Spezies (ROS). Das Wachstum von S. aureus in Medien mit subletalen Konzentrationen von Perform verringerte in den Stämmen 6850, COL und ISP479C die Expression mehrerer Proteine, wohingegen im Stamm Newman eine gesteigerte Expression mehrerer Proteine festgestellt werden konnte. In der Literatur werden diese vermehrt exprimierten Proteine als sae-abhängig beschrieben. Der Effekt von Perform konnte durch das im Desinfektionsmittel enthaltene Detergenz SDS nachgeahmt werden, jedoch nicht durch Paraquat oder weitere Detergenzien wie Triton X-100 oder Tween 20. Eine Solubilisierungsreaktion durch die Detergenz-Wirkung konnte ausgeschlossen werden, da der beobachtete Effekt von lebenden Bakterien abhängt. Für Eap (extracellular adherence protein) konnte die deutlichste Steigerung der Proteinexpression festgestellt werden und eine Transkriptionsanalyse bestätigte die gesteigerte Eap-Expression. Die Promotoraktivität des sae Promotors P1 wurde sowohl durch Perform als auch durch SDS verstärkt. Die Anwesenheit von Perform und SDS hatte auch funktionelle Änderungen zur Folge: In durchflusszytometrischen Experimenten erhöhte sich beispielsweise die Invasivität auf das 2,5- bzw. 3,2-fache und die beobachteten Unterschiede konnten durch Lysostaphin Protektions Versuche bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die gesteigerte Invasivität in Stamm Newman von Eap und dem sae-System abhängig war, während agr, sarA, sigB und FnBPs keinen entscheidenden Einfluss auf die Invasivität hatten. In dieser Arbeit wurde außerdem aufgedeckt, dass die Besonderheit des Stammes Newman durch eine Mutation in saeS (Sensor-Histidinkinase) bedingt war. Obwohl postuliert wird, dass diese Punktmutation ein konstitutiv aktiviertes sae System zur Folge hat, konnte die hohe sae Aktivität durch Perform und SDS jedoch noch weiter gesteigert werden. Durch den Austausch des gesamten sae-Operons konnte gezeigt werden, dass sich der Stamm Newman saeISP479C wie der Stamm ISP479C, und der Stamm ISP479C saeNewman sich analog zu Stamm Newman verhielt. Zusammenfassend kann aus den vorliegenden Ergebnissen geschlussfolgert werden, dass ein Aminosäurenaustausch in der Sensor-Histidinkinase SaeS des Stammes Newman verantwortlich für die gesteigerte Expression von Eap und die daraus resultierende gesteigerte Invasivität nach der Inkubation mit subletalen Konzentrationen von Perform und SDS ist. Diese Daten können dazu beitragen, die Virulenzmechanismen im Stamm Newman, speziell die Rolle des Sae-Systems, aber auch die der generellen Regulation, besser verstehen zu können. / Staphylococcus aureus copes with changing environmental conditions like heat, pH and chemicals by utilizing global regulators such as the Sae (S. aureus exoprotein expression) two-component signaling system. Subinhibitory concentrations of some antibiotics were shown to increase virulence factor expression. Here, we investigated the S. aureus stress response to sublethal concentrations of the commonly used biocide, Perform®. Therefore biochemical methods including SDS-PAGE and mass spectrometry as well as molecular biological methods like qRT-PCR and promoter activity assays, were used. Additionally, functional differences were analyzed by flow cytometric invasion assays. Perform, acting through the production of reactive oxygen species, generally downregulated the expression of extracellular proteins in strains 6850, COL, ISP479C, but upregulated these proteins in Newman. All upregulated proteins were sae-dependent. Whereas the Perform component SDS mimicked the biocide effect, paraquat or other detergents, as Triton X-100 or Tween 20 did not. A solubilisation by the detergents could be excluded due to the effect´s requirement of live bacteria. Eap (extracellular adherence protein) was most prominently augmented. Upregulation of eap was confirmed by qRT-PCR. Promoter activity of the sae promoter P1 was increased by Perform and SDS. Flow cytometric analysis revealed that both substances enhanced cellular invasiveness 2.5-fold and 3.2-fold, respectively, and the increased invasiveness could be validated by a lysostaphin protection assay. Furthermore, the increased invasiveness was dependent on Eap and the sae system, whereas agr, sarA, sigB and FnBPs had no major effect in strain Newman. This unique response pattern was due to a point mutation in SaeS, as demonstrated by allele swapping. Newman-saeSISP479C behaved like ISP479C, whereas saeSNewman rendered ISP479C equally responsive as Newman. The point mutation is said to lead to a constitutively active sae-system, but with Perform and SDS we were able to further enhance the already high sae-activity. Taken together, an amino acid-substitution in the sensor histidine kinase SaeS of strain Newman was shown to be responsible for the increased expression of Eap upon exposure to sublethal Perform and SDS concentrations, leading to increased Eap-dependent cellular invasiveness. These data may be important for a deeper understanding and further analyzing the virulence mechanism in strain Newman, especially the role of the sae-system but also the general regulation.

Arabidopsis thaliana (A.th.) mesophyll cells play a pivotal role in the regulation of the drought stress response. The signaling & transport components involved in drought stress regulation within lipid rafts of the plasma membrane were investigated by DRM isolation from highly purified plasma membranes. Detergent treatment with Brij-98 and Triton X-100 resulted in a total of 246 DRM proteins which were identified by nano HPLC-MS/MS. The majority of these proteins could be isolated by Triton X-100 treatment (78.5 %) which remains the ”golden” standard for the isolation of DRMs. Comparing in-gel and in-solution digestion approaches disclosed additional protein identifications for each method but the in-gel approach clearly delivered the majority of the identified proteins (81.8 %). Functionally, a clear bias on signaling proteins was visible – almost 1/3 of the detected DRM proteins belonged to the group of kinases, phosphatases and other signaling proteins. Especially leucine-rich repeat receptor-like protein kinases and calcium-dependent protein kinases were present in Brij-98 & Triton X-100 DRMs, for instance the calcium-dependent protein kinase CPK21. Another prominent member of DRMs was the protein phosphatase 2C 56, ABI1, which is a key regulator of the ABA-mediated drought stress response in A.th. The lipid raft localization of the identified DRM proteins was confirmed by sterol-depletion with the chemical drug MCD. Proteins which depend upon a sterol-rich environment are depleted from DRMs by MCD application. Especially signaling proteins exhibited a strong sterol-dependency. They represented the vast majority (41.5 %) among the Triton X-100 DRM proteins which were no longer detected following MCD treatment. AtRem 1.2 & 1.3 could be shown to be sterol-dependent in mesophyll cells as well as two CPKs (CPK10 & CPK21) and the protein phosphatase ABI1. AtRem 1.2 & 1.3 could be proven to represent ideal plant lipid raft marker proteins due to their strong presence in Triton X-100 DRMs and dependency upon a sterol-rich environment. When fluorescence labeled AtRem 1.2 & 1.3 were transiently expressed in A.th. leaves, they localized to small, patchy structures at the plasma membrane. CPK21 was an intrinsic member of Triton X-100 DRMs and displayed extreme susceptibility to sterol-depletion by MCD in immunological and proteomic assays. Calcium-dependent protein kinases (CPKs) have already been studied to be involved in drought stress regulation, for instance at the regulation of S-type anion channels in guard cells. Hence, further transient expression studies with the anion channel SLAH3, protein kinase CPK21 and its counterpart, protein phosphatase ABI1 were performed in Nicotiana benthamiana. Transient co-expression of CPK21 and the anion channel SLAH3, a highly mesophyll- specific homologue of the guard cell anion channel SLAC1, resulted in a combined, sterol-dependent localization of both proteins in DRMs. Supplementary co-expression of the counterpart protein phosphatase ABI1 induced dislocation of SLAH3 from DRMs, probably by inactivation of the protein kinase CPK21. CPK21 is known to regulate the anion channel SLAH3 by phosphorylation. ABI1 dephosphorylates CPK21 thus leading to deactivation and dislocation of SLAH3 from DRMs. All this regulative events are taking place in DRMs of A.th. mesophyll cells. This study presents the first evidence for a lipid raft-resident protein complex combining signaling and transport functions in A.th. Future perspectives for lipid raft research might target investigations on the lipid raft localization of candidate DRM proteins under presence of abiotic and biotic stress factors. For instance, which alterations in the DRM protein composition are detectable upon exogenous application of the plant hormone ABA? Quantitative proteomics approaches will surely increase our knowledge of the post-transcriptional regulation of gene activity under drought stress conditions. / Mesophyllzellen spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Regulierung der Trockenstress-Antwort in der Pflanze Arabidopsis thaliana (A.th.). Um die an der Trockenstress-Antwort beteiligten Signaltransduktions- und Transportproteine zu identifizieren, die sich in Lipid Rafts der pflanzlichen Plasmamembran befinden, wurden Detergent-Resistant Membranes (DRMs) aus hochreinen Arabidopsis Plasmamembran-Präparationen isoliert. Behandlung dieser hochreinen Plasmamembran mit den Detergentien Brij-98 und Triton X-100 führte zur Identifikation von 246 DRM Proteinen, die mittels der nano HPLC-MS/MS Technologie detektiert wurden. Hierbei war festzustellen, dass das Detergens Triton X-100 eindeutig den Standard für die Isolierung von DRMs darstellt. Die große Mehrheit (78,5 %) der identifizierten DRM Proteine konnte nämlich mit Triton X-100 aufgereinigt werden. Vergleichende Anwendung verschiedener Verdaumethoden (In-Gel & In-Lösung Verdau) zeigte auf, dass jede Methode einen unterschiedlichen Pool an Proteinen identifiziert. Das Gros der analysierten Proteine (81,8 %) konnte jedoch auch alleine durch In-Gel Verdau ermittelt werden. Unter den identifizierten DRM Proteinen stellten Proteine, die an der Signaltransduktion beteiligt sind, fast 1/3 dar. Diese Proteingruppe wurde hauptsächlich durch Kinasen und Phosphatasen vertreten. Insbesondere Leucin-reiche rezeptor-artige and Calcium-abhängige Proteinkinasen waren in Brij-98 & Triton X-100 DRMs zu beobachten, z.B. die Calcium-abhängige Proteinkinase CPK21. Ebenso in Triton X-100 DRMs wurde die Proteinphosphatase 2C 56 (ABI1) lokalisiert, die eine zentrale Rolle bei der ABA-vermittelten Antwort auf Trockenstress in A.th. inne hat. Zur Bestätigung der Lipid Raft Lokalisation der identifizierten DRM Proteine wurden Sterole aus der Plasmamembran mittels der Chemikalie Methyl-ß-D-cyclodextrin entfernt. Besonders Proteine, die an der Signalweiterleitung beteiligt sind, zeigten eine starke Abhängigkeit von der Präsenz der Sterole. Sie waren besonders betroffen: 41,5 % der Proteine, die nach MCD Behandlung nicht mehr in DRMs identifiziert wurden, gehörten zur Gruppe der Signaltransduktionsproteine. Beispiele waren sowohl die Calcium-abhängigen Proteinkinasen CPK10 & CPK21, als auch die Proteinphosphatase ABI1. Die A.th. Remorine AtRem 1.2 & 1.3 stellen ideale Kandidaten für pflanzliche Lipid Raft Markerproteine dar, da beide sowohl ziemlich stark in Triton X-100 DRMs vertreten, als auch im besonderen Maße auf die Präsenz von Sterolen in DRMs angewiesen sind. Fluoreszenzmarkierte AtRem 1.2 & 1.3 Fusionskonstrukte lokalisierten bei transienter Expression in A.th. Blättern in kleinen, punktförmigen Strukturen an der Plasmamembran. Diese Strukturen zeigten frappierende Ähnlichkeit zu bereits bekannten Mustern von Lipid Raft Proteinen in Hefen und Säugetieren. CPK21 stellte ein besonderes Mitglied der Triton X-100 DRMs dar, welches ebenfalls stark auf die Präsenz von Sterolen in DRMs angewiesen war. Dies konnte durch immunologische and massenspektrometrische Experimente nachgewiesen werden. Calcium-abhängige Proteinkinasen (CPKs) sind an der Regulierung der Trockenstress-Antwort in Pflanzen beteiligt, z.B. bei der Aktivierung von S-typ Anionenkanälen in Schließzellen von A.th. Aufgrund dieser Beteiligung an der Trockenstress-Antwort, wurden transiente Co-Expressionsstudien des Anionenkanals SLAH3, der Proteinkinase CPK21 und ihrem Gegenspieler, der Proteinphosphatase ABI1 in Nicotiana benthamiana Blättern durchgeführt. Transiente Co-Expression von CPK21 und SLAH3, einem zum schließzell-spezifischen Anionenkanal SLAC1 homologen Protein in Mesophyllzellen, resultierte in einer sterol-abhängigen Co-Lokalisation beider Proteine in DRMs. Zusätzliche Gabe vom Gegenspieler ABI1 führte zum Verschwinden von SLAH3 aus DRMs, was möglicherweise auf die Inaktivierung der Proteinkinase CPK21 durch ABI1 zurückzuführen ist. Für CPK21 konnte schon aufgezeigt werden, dass es den Anionenkanal SLAH3 durch Phosphorylierung aktiviert. ABI1 hingegen dephosphoryliert die Proteinkinase CPK21 und führt zur Deaktivierung vom Anionenkanal SLAH3, welcher dann auch nicht mehr in DRMs lokalisierbar ist. Diese streng regulierten Prozesse im Rahmen der Trockenstress-Antwort spielen sich in DRMs von A.th. Mesophyllzellen ab. Die vorliegende Arbeit ist der erste Bericht eines Lipid Raft-lokalisierten Proteinkomplexes, der Signalweiterleitung und Transportprozesse in Arabidopsis Lipid Rafts vereint. Zukünftige Lipid Raft Studien könnten sich mit der Lokalisation von putativen DRM Proteinen nach Anwendung von abiotischen und biotischen Stressfaktoren befassen. So könnte man sich die Frage stellen, inwiefern sich die Proteinzusammensetzung in DRMs von der Zugabe des pflanzlichen Hormons Abscisinsäure (ABA) beeinflussen läßt. Insbesondere quantitative Proteomstudien werden in Zukunft mit Sicherheit unser Wissen über die posttranskriptionelle Regulation der Genaktivität bei Trockenstress erweitern.

Thesis (doctoral)--Universität, Trier, 2000.

Trier, University, Thesis (doctoral), 2002.