Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg.

Universiẗat, Diss., 2002--Heidelberg.

Transgene Pflanzen nehmen einen wachsenden Stellenwert bei der Produktion therapeutischer Proteine, besonders von Impfstoffen, ein. Einige dieser Proteine benötigen für ihre Funktionalität verschiedenste post-translationale Modifikation und es ist nicht bekannt, ob Pflanzen zu diesen Stoffwechselleistungen befähigt sind. In der vorliegenden Arbeit sollte anhand eines bakteriellen Antigens geprüft werden, ob in Chloroplasten von Nicotiana tabacum an einem rekombinanten Protein eine besondere Form der post-translationalen Modifikation, die Lipidierung, durchgeführt wird und ob somit ein alternatives Produktionssystem für einen Lipoprotein-Impfstoff entwickelt werden kann. Basis für diese Untersuchungen war das bakterielle Lipoprotein OspA (outer surface protein A) aus Borrelia burgdorferi. Dieses Protein wird zur Prävention von Lyme-Borreliose eingesetzt und frühere Untersuchungen zeigten, dass OspA sowohl in B. burgdorferi als auch nach heterologer Expression in E. coli einer post-translationalen Lipidierung am N-Terminus unterliegt. Dabei wird das Protein unter Mitwirkung dreier Enzyme (Lgt, Lsp und Lnt) am N-Terminus mit einer Pam3Cys-Struktur versehen und die N-terminale Signalsequenz abgespalten. In dieser Arbeit konnten nach der Etablierung eines Expressionssystems mehrere unabhängige transplastome OspA-Tabakpflanzen generiert werden. Der Anteil an rekombinantem, plastidärem OspA (rpOspA) am löslichen Gesamtprotein wurde mit ca. 1% bestimmt. Dabei lag rpOspA sowohl in einer lipidierten, membrangebundenen als auch in einer nicht-modifizierten, löslichen Form vor. Strukturelle Untersuchungen an rpOspA ergaben, dass in Chloroplasten eine Bakterien-ähnliche Lipidierung an dem Protein durchgeführt wurde. Dabei wurde am N-Terminus ein Diacylglycerin über eine Thioetherbindung an das einzige in der Sequenz vorkommende Cystein gebunden. Anders als in Bakterien wurde die Signalsequenz in Chloroplasten jedoch nicht abgespalten und infolgedessen keine dritte Fettsäure an das Cystein gebunden. Die plastidäre Modifikation an rekombinantem OspA resultierte daher in einer Pam2Cys-Struktur mit Signalsequenz. Untersuchungen zur Immunogenität des rpOspA in Mäusen zeigten eindeutig, dass das rekombinante Protein aus Tabak die Bildung spezifischer Antikörper induziert und damit in seiner Wirkung vergleichbar dem bakteriellen Protein ist. Um die Lipidierungsrate des akkumulierten OspA in Chloroplasten zu erhöhen, wurden weitere transplastome Tabakpflanzen generiert. Diese wiesen neben dem ospA-Gen auch die Gene (lgt, lsp und lnt) der drei modifizierenden Enzyme aus E. coli auf. Durch die simultane Bildung von OspA und den drei modifizierenden Enzyme konnte eine quantitative Lipidierung von rpOspA mit einer Pam2Cys-Struktur erlangt werden. Als Grundlage für vergleichende Untersuchungen zwischen plastidärer und cytoplasmatischer Lipidmodifikation in Tabak wurden ebenfalls Transformationen des Zellkerns mit ospA durchgeführt, wobei jedoch keine heterologe ospA-Expression erreicht werden konnte. Erst durch die Anwendung eines transienten, viralen Expressionssystems war es möglich, ospA im Zellkern zu exprimieren. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass in Chloroplasten Höherer Pflanzen eine Bakterien-ähnliche Modifikation an rekombinantem OspA durchgeführt wird und das resultierende Protein eine spezifische Immunantwort in Mäusen induzieren kann. Das Potential von transgenen Pflanzen als alternatives Produktionssystem für Lipoprotein-Impfstoffe wird diskutiert. / Transgenic plants play an increasing role in the production of therapeutical proteins, especially vaccines. Some of those proteins need a posttranslational modification for their activity of immunogenicity and it is still ambiguous if plants are capable of performing these modifications. In the present study it was investigated by the use of a bacterial antigen if a particular form of posttranslational modification, the lipidation of proteins, is performed in chloroplasts of Nicotiana tabacum and if the resulting plants could be further developed into an alternative production system for lipoprotein-vaccines. For this investigation, the bacterial lipoprotein OspA (outer surface protein A) of Borrelia burgdorferi was chosen, a protein used as a vaccine against Lyme disease. Previous studies have been shown that OspA is lipidated on its N-terminus both in B. burgdorferi and when expressed in Escherichia coli. This modification is performed by three different enzymes (Lgt, Lsp and Lnt) which build up a Pam3Cys-structure at the N-terminus of the protein while the N-terminal signal sequence is cleaved. In the present study several independent transgenic plant lines could be generated by the use of a suitable expression system. Analysis showed that the fraction of recombinant plastidal OspA (rpOspA) in transplastomic plants reached approx. 1% of the total soluble protein. Moreover, a lipid modification could be detected in a fraction of the rpOspA which resulted in the membrane association of a portion of the recombinant protein. The structural analysis of rpOspA revealed that in chloroplasts, rpOspA is lipidated in a bacteria-like manner, including the attachment of a diacylglycerol moiety to the sole cysteine via a thioether linkage. Other than in bacteria, the signal peptide is not cleaved in chloroplasts; thus, no additional fatty acid is attached to the cysteine. The plastidal modification on recombinant OspA therefore resulted in a Pam2Cys-structure including the signal sequence. Furthermore, the rpOspA from tobacco showed similar immunogenic properties as the recombinant protein from bacteria when tested in mice, showing the potential of plants as a production system for lipoprotein-vaccines. To further increase and modify the lipidation rate and pattern of tobacco-derived OspA, a new set of transplastomic tobacco plants were generated. These plants not only carried the ospA gene, but also the genes encoding for the three modifying enzymes (lgt, lsp and lnt). This simultaneous expression shifted the ratio between lipidated and non-lipidated rpOspA almost quantitatively to the lipidated form. For further comparisons of the OspA-lipidation either in plastids or in the cytosol transgenic tobacco plants were established. However, after stable integration of ospA into the nuclear genome, no detectable heterologeous expression could be achieved. Only by using a transient viral expression system the nuclear ospA expression was feasible. In this study it has been shown, that in chloroplasts of higher plants a bacteria-like modification on recombinant OspA was performed and that the resulting protein induced a specific immune response in mice. The potential of transgenetic plants as an alternative production system for lipoprotein-vaccines is discussed.

In der vorliegenden Arbeit wurden pflanzliche Aquaporine aus Nicotiana tabacum und Samanea saman mit molekularbiologischen Methoden analysiert und durch heterologe Expression in Oozyten von Xenopus laevis funktionell charakterisiert. Das aus Tabak isolierte Aquaporin NtAQP1 wird am höchsten in Wurzeln exprimiert, ist trotz vorhandener Cysteine nicht quecksilbersensitiv und permeabel für Glycerin und Harnstoff. Sowohl eine Ionenleitfähigkeit, als auch eine Regulation auf Proteinebene konnten im Oozytensystem nicht nachgewiesen werden. Die Leguminose Samanea saman bewegt im Tag-/Nachtrhythmus ihre Fiederblätter und -stengel. Dieses wird durch Variieren des Turgors im Flexorgewebe von Pulvini realisiert. Während SsAQP1 in seinen Charakteristika mit NtAQP1 übereinstimmt, ist SsAQP2 quecksilbersensitiv und hoch selektiv für Wasser. Der für SsAQP2 ermittelte Permeabilitätskoeffizient war um den Faktor 10 höher als der von SsAQP1. Northern Experimente zeigten, dass SsAQP2 ausschließlich im Flexorgewebe exprimiert wird. Die Expression ist zum Zeitpunkt der Streckungsbewegung des Pulvinus um 7 Uhr am stärksten. Dagegen wurde SsAQP1 zu allen untersuchten Zeitpunkten nur schwach in Pulvini exprimiert. / Plant aquaporins from Nicotiana tabacum and Samanea saman were analysed with molecular techniques and functionally characterised by heterologous expression in Xenopus laevis oocytes. The tobacco aquaporin NtAQP1 is highly expressed in roots and flowers. Though it possesses several cysteines residues it is not sensitive to mercurials. Additionally NtAQP1 is permeable for glycerol and urea, but not for ions. A regulation on the protein level could not be detected. The leguminose Samanea saman moves its leaflets by bending or stretching of motor organs called pulvini. This turgor related movement is restricted to the flexor and accompanied by a high flow of water. While the characteristics of SsAQP1 resemble those of NtAQP1, SsAQP2 is sensitive to mercurials and highly selective for water. The calculated permeability coefficient of SsAQP2 was ten times higher than that for SsAQP1. Northern experiments revealed a high expression of SsAQP2 exclusively in the flexor tissue, when the pulvinus is stretching in the morning. In contrast, SsAQP1 is poorly expressed in pulvini.

The aim of this work was to find out whether and how nitrate reduction in roots would facilitate survival of hypoxic and anoxic (flooding)-phases. For that purpose, we compared the response of roots of hydroponically grown tobacco wildtype (Nicotiana tabacum cv. Gatersleben) and of a transformant (LNR-H) with no nitrate reductase (NR) in the roots but almost normal NR in leaves (based on a nia2-double mutant). As an additional control we used occasionally a 35S-transformant of the same nia2-double mutant, which on the same genetic background constitutively expressed NR in all organs. In some cases, we also compared the response of roots from WT plants, which had been grown on tungstate for some time in order to completely suppress NR activity. The following root parameters were examined: 1) Growth and morphology 2) Root respiration rates and leaf transpiration 3) Metabolite contents in roots (ATP, hexosemonophosphates, free sugars, starch, amino acids, total protein) 4) Inorganic cation and anion contents 5) Lactate and ethanol production 6) Extractable LDH-and ADH-activities 7) Cytosolic pH values (by 31P-NMR) 8) NO Cation and anion contents of roots from WT and LNR-H were only slightly different, confirming that these plants would be better suited for our purposes than the widely used comparison of nitrate-versus ammonium-grown plants, which usually show up with dramatic differences in their ion contents. Normoxia: LNR-H-plants had shorter and thicker roots than WT with a lower roots surface area per leaf FW. This was probably the major cause for the significantly lower specific leaf transpiration of LNR-H. WT-roots had lower respiration rates, lower ATP-and HMP-contents, slightly lower sugar- and starch contents and somewhat lower amino acid contents than LNR-H roots. However, total protein/FW was almost identical. Obviously the LNR-H transformants did not suffer from N-defciency, and their energy status appeared even better than that of WT-roots. Data from the 35S-transformant were similar to those of WT. This indicates that the observed differences between WT and LNR-H were not due to unknown factors of the genetic nia2-background, but that they could be really traced back to the presence resp. absence of nitrate reduction. Anoxia: Under short-term anoxia (2h) LNR-H plants, but not WT-plants exhibited clear symptoms of wilting, although leaf transpiration was lower with LNR-H. Reasons are not known yet. LNR-H roots produced much more ethanol (which was excreted) and lactate compared to WT, but extractable ADH and LDH activities, were not induced by anoxia. However, the LDH activity background was twice as high as that of the WT troughout the time period studied. Tungstate-treated WT-roots also gave higher fermentation rates than normal WT roots. Sugar- and HMP-contents remained higher in LNR-H roots than in WT. NR in WT roots was activated under anoxia and roots accumulated nitrite, which was also released to the medium. 31P-NMR spectroscopy showed that LNR-H- roots, in spite of their better energy status, acidified their cytosol more than WT roots. Conclusions: Obviously nitrate reduction affects - by as yet unknown mechanisms - root growth and morphology. The much lower anoxic fermentation rates of WT-roots compared to LNR-H roots could not be traced back to an alternative NADH consumption by nitrate reduction, since NR activity was too low for that. An overall estimation of H+-production by glycolysis, fermentation and nitrate reduction (without nitrite reduction, which was absent under anoxia) indicated that the stronger cytosolic acidification of anoxic LNR-H roots was based on their higher fermentation rates. Thus, nitrate reduction under anoxia appears advantageous because of lower fermentation rates and concomitantly lower cytosolic acidification. However, it remained unclear why fermentation rates were so different. Perspective: Preliminary experiments had indicated that WT-roots produced more nitric oxide (NO) under anoxia than LNR-H-roots. Accordingly, we suggest that nitrate reduction, beyond a merely increased NADH-consumption, would lead to advantageous changes in metabolism, eventually via NO-production, which is increasingly recognized as an important signaling compound regulating many plant functions. / Ziel der Arbeit war es herauszufinden, ob und wie Nitratreduktion in der Wurzel das Überleben von hypoxischen und anoxischen (Überflutungs)-Phasen erleichtert. Hierzu wurden Wurzeln eines hydroponisch angezogenen Tabak-Wildtyps (Nicotiana tabacum cv. Gatersleben), sowie einer Tabaktransformante auf der Basis der nia Doppelmutante, welche Nitratreduktase nur noch in den Blättern exprimierte (LNR-H), im Hinblick auf verschiedene Parameter verglichen. Als zusätzliche Kontrolle wurde eine 35S-Transformante der nia-Doppelmutante gelegentlich in die Vergleiche mit einbezogen, da diese auf dem genetischen Hintergrund der nia Doppelmutante NR in Blättern und Wurzeln konstitutiv exprimierte mit Aktivitäten, die in etwa denen des Wildtyps entsprachen. In einigen Fällen wurde die Nitratreduktase des WT durch Aufzucht auf Wolframat (an Stelle von Molybdat) gehemmt, und diese Pflanzen wurden ebenfalls mit normalen WT-Wurzeln verglichen. Folgende Parameter wurden untersucht: 1) Wachstum und Wurzelmorphologie 2) Atmungsraten, Transpirationsraten 3) Metabolitgehalte (ATP, Hexosemonophosphate, freie Zucker, Aminosäuren) 4) Gehalte anorganischer Kationen und Anionen 5) Lactat- und Ethanolproduktion 6) LDH und ADH-Aktivitäten in Wurzelextrakten 7) Cytosolische pH-Werte mittels 31P-NMR 8) NO Die Analyse des Kationen- und Anionengehaltes der Wurzeln bestätigte zunächst, das die LNR-H-Transformante und der WT sich in dieser Hinsicht nur unwesentlich unterschieden und von daher zum weiteren Vergleich besser geeignet waren als die vielfach verwendete Paarung von nitrat-bzw- ammoniumernährten Pflanzen. Normoxia: LNR-H-Pflanzen hatten kürzere und dickere Wurzeln mit einer niedrigeren Wurzeloberfläche pro Blattfrischgewicht als WT. Dies war vermutlich die Hauptursache für die deutlich niedrigeren Transpirationsraten von LNR-H. WT-Wurzeln hatten unter normoxischen Bedingungen niedrigere Atmungsraten, niedrigere ATP und HMP-Gehalte, etwas niedrigere Zucker und Stärkegehalte und etwas niedrigere Gesamt-Aminosäuregehalte als LNR-H-Wurzeln. Andererseits waren die Gesamt-Proteingehalte (pro FG) praktisch identisch. Offensichtlich litt die LNR-H-Transformante nicht unter N-Mangel, und ihr energetischer Zustand war unter Normalbedingungen eher besser war als der des WT. Die Daten der 35S-Transformante entsprachen weitgehend denen des WT. Dies zeigt, dass die beobachteten Unterschiede nicht auf unbekannten Faktoren des nia2-Hintergrunds beruhten, sondern definitiv auf dem Vorhandensein (bzw. der Abwesenheit) von Nitratreduktion. Anoxia: Unter Anoxia (4h) traten bei LNR-H deutliches Welken der Blätter auf, bei WT dagegen nicht. Die Ursachen sind unklar. Unter Anoxia produzierten LNR-H-Wurzeln sehr viel mehr Ethanol und Lactat als WT, obwohl weder ADH-noch LDH Aktivitäten in Wurzelextrakten unter Anoxia erhöht wurden. Allerdings besaß die LNR-H Transformante permanent doppelt so hohe LDH Aktivitäten wie der WT.h. Auch Wolframat-versorgte WT-Wurzeln produzierten unter Anoxia mehr Lactat und Ethanol als der normale WT. Zucker und HMP-Gehalte blieben in LNR-H höher als in WT. Die NR von WT-Wurzeln wurde unter Anoxia aktiviert und die Wurzeln akkumulierten Nitrit, das großteils an die Nährlösung abgegeben wurde. 31P-NMR-Messungen zeigten, dass LNR-H-Wurzeln trotz ihres besseren Energiezustandes unter Anoxia das Cytosol stärker ansäuerten als WT-Wurzeln. Schlussfolgerungen: Offensichtlich beeinflusst Nitratreduktion auf noch unbekannte Weise Wachstum und Morphologie der Wurzeln unter Normoxia. Die viel niedrigeren Gärungsraten der WT-Wurzeln unter Anoxia konnten nicht auf einen alternativen NADH-Verbrauch der Nitratreduktion zurückgeführt werden, weil dazu die NR-Aktivitäten zu niedrig waren. Bilanzierung der H+-Produktion durch Glycolyse, Gärung und Nitratreduktion zeigte, dass die stärkere cytosolische Ansäuerung der anoxischen LNR-H Wurzeln auf den insgesamt höheren Gärungsraten der LNR-H-Wurzeln beruhen muss. Nitratreduktion ist unter Anoxia also vorteilhaft, weil sehr viel weniger Gärung abläuft und damit cytosolische Ansäuerung abgeschwächt wird. Warum allerdings die Gärungsraten so unterschiedlich waren, blieb unklar. Ausblick: Vorversuche hatten ergeben, dass WT-Wurzeln unter Anoxia mehr Stickstoffmonoxid (NO) produzierten als LNR-H-Wurzeln. Es wird deshalb hypothetisch vorgeschlagen, dass die Nitratreduktion über den bloßen NADH-Verbrauch hinaus durch eine anoxische NO-Produktion ein Signal erzeugt, das vorteilhaft regulierend in Stoffwechsel und Wachstum eingreift.

Univ., Diss.--Kiel, 1997.

Thesis (doctoral)--University of Göteborg, 1983. / Extra t.p. with thesis statement inserted. Includes the author's five published papers. Includes bibliographical references.

Thesis (doctoral)--University of Göteborg, 1983. / Extra t.p. with thesis statement inserted. Includes the author's five published papers. Includes bibliographical references.

Universiẗat, Diss., 2003--München.

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