Ulm, Univ., Diss., 2007.

Zugl.: Konstanz, Univ., Diss., 2005

Universiẗat, Diss., 2002--Dortmund.

University, Diss., 2004--Jena.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2009

• Die Modellpflanze der Pflanzenphysiologen, Arabidopsis thaliana, besitzt mindestens 15 verschiedene kaliumselektive Kanäle, von denen 5 der Strukturklasse der Tandemporen-Kaliumkanäle angehören und daher TPK-Kanäle genannt werden. • Tandemporenkanäle findet man nur bei eukaryontischen Organismen. Die pflanzlichen Tandemporen Kaliumkanäle haben einen gemeinsamen phylogenetischen Ursprung und unterscheiden sich von den Tierischen und denen der Pilze und Einzeller. Die pflanzlichen TPK-Kanäle lassen sich wiederum in die TPK1-Unterfamilie und die TPK2-Unterfamilie unterteilen. Die weitere Evolution der TPK2-Unterfamilie von A. thaliana, TPK2, TPK3, TPK4 und TPK5, lässt sich eindeutig auf bestimmte Duplikationsereignisse im Genom von A. thaliana und dessen Ahnen zurückführen. Auch der Ein-Poren Kaliumkanal KCO3 geht sehr wahrscheinlich auf die Duplikation des TPK2 und einer anschließenden Deletion und nicht auf einen der prokaryontischen Ein-Poren-Kaliumkanal-Prototypen zurück. • Vier der A. thaliana TPK-Kanäle (TPK1, 2, 3 und 5) lokalisieren in der Vakuolenmembran, während einer, TPK4, zum großen Teil im ER, aber auch in der Plasmamembran zu finden ist. Die Translokation des TPK1 folgt dem sekretorischen Pfad vom ER, durch den Golgi und möglichen intermediären Kompartimenten hin zur Membran der lytischen Vakuole. Von entscheidender Bedeutung ist dabei der zytoplasmatische Carboxy-Terminus (CT) des TPK1. Deletionsmutanten des TPK1 CT zeigen, dass die Translokation mindestens zwei Sortierungsschritten, am Ausgang des ER und des Golgi, unterliegt. Fehlt der CT komplett bleibt der Kanal im ER. Die Sortierungssignale des TPK1 CT konnten auf die EF-Hand Domäne I eingegrenzt werden. Anschließende Punktmutationen in diesem Bereich konnten zeigen, dass TPK1 in der eigentlich für die Ca2+ Bindung zuständigen Domäne ein di-azidisches ER-Export Motiv bestehend aus Asparaginsäure, Leucin und Glutaminsäure enthält. Andere Arbeiten legen nahe, dass der Mechanismus des ER-exports von TPK1 auf der Interaktion mit COPII Vesikelhüllproteinen beruht; TPK1 also in Vesikel sortiert wird, die sich am ER abschnüren und mit dem cis-Golgi fusionieren. Der Vergleich mit anderen pflanzlichen TPK Kanälen lässt vermuten, dass TPK1 Orthologe, nicht aber die A. thaliana Homologen ein di-azidisches ER-Exportmotiv besitzen. Die Translokation des TPK3 erwies sich dementsprechend als unabhängig von dessen CT. Weitere Experimente schließen außerdem eine Beteiligung der 14-3-3 Bindung an der Translokation aus. • TPK4 ist der einzige TPK der heterolog in Xenopus Oozyten funktionell exprimiert werden kann. Wie Mutationen an einem essentiellen Aspartat (Asp86, Asp200) in der Pore zeigten, sind beide tandem repetierten Porendomänen einer Kanaluntereinheiten an der Porenbildung beteiligt. Somit formt sich TPK4 ähnlich wie die tierischen TPK-Kanäle voraussichtlich aus zwei Untereinheiten. Ein Austausch der zweiten Porendomäne von TPK4 konnte zeigen, dass TPK2, TPK3 und TPK5, mit ihrer zweiten Porendomäne und TPK4 mit seiner ersten Porendomäne den TPK4 zu einem funktionellen Kaliumkanal komplementieren können. Da keine der TPK4 Eigenschaften, außer geringfügig die relative Permeabilität für Rb+, verändert wurde, kann man absehen, dass die homologen TPK2, TPK3 und TPK5 als instantan aktivierte, spannungsunabhängige Kaliumkanäle der Vakuolenmembran fungieren. Dazu kommt wahrscheinlich ähnlich wie bei TPK1 ein 14-3-3 und Ca2+ abhängiges Öffnen und Schließen. • Weiterführende elektrophysiologische Untersuchungen am TPK4 zeigten eine Beteiligung einer transmembranen Asparaginsäure (Asp110) an der Kaliumpermeation und der schwachen Einwärtsgleichrichtung. Der Aspartatrest ist in die wassergefüllte Aussparung der zytoplasmatischen Porenhälfte orientiert. Damit kann er über ionische Wechselwirkungen sowohl Kalium in der Pore konzentrieren als auch potentielle Kanalblocker wie Mg2+ oder Polyamine binden. Die Konservierung des Aspartats unter anderem bei TPK2, TPK3 und TPK5 deutet daraufhin, dass auch die vakuolären TPK-Kanäle eine Einwärtsgleichrichtung vermitteln, die auf einem spannungsabhängigen Block von zytoplasmatischer Seite basiert. • Im Gegensatz zum zytoplasmatischen Block ist das Schließen des TPK4 durch zytoplasmatische Ansäuerung spannungsunabhängig und ist daher von einer Protonierungsreaktion abhängig. Über zahlreiche Deletionen und Chimären des TPK4 wurde der Bereich, in dem sich pH-Sensor und pH-Tor befinden, auf den Bereich zwischen transmembranen und zytoplasmatischen Domänen eingegrenzt. Darüber hinaus fungieren Histidine nicht als pH-Sensor. / • The model plant Arabidopsis harbours 15 genes encoding potassium selective channels. Five of them belong to the structural class of tandem-pore K+ channels and are therefore called TPK channels. • Blast searches revealed the occurrence of TPK channels in many eucaryots, but not in procaryots. Plant TPK channels cluster in a phylogenetic analysis and branch into a TPK1- and a TPK2-subfamily. The evolution Arabidopsis TPK2-subfamily members (TPK2, TPK3, TPK4, and TPK5) can be attributed to distinct large-scale duplication events in ancestral genomes. Further more phylogenetic analysis showed the relatedness of the one-pore potassium channel KCO3 to TPK2. • The trafficking of the four vacuolar membrane intrinsic TPK channels (TPK1, TPK2, TPK3, and TPK5) utilizes the secretory path, from the endoplasmic reticulum (ER), via Golgi apparatus and maybe intermediate compartments to the lytic vacuole. The carboxy terminus (CT) of TPK1 was critically involved in both ER and Golgi sorting steps. The minimal requirement for vacuolar localisation was the proximal CT up to the Ca2+-binding EF-hand I. Due to mutational analyses one of several di-acidic motifs consisting of aspartate, leucin, and glutamate (aa 296-298) could be identified as the essential ER-export motif. By this TPK1 likely interacts with the coat of COPII vesicles, which adopt the ER to Golgi transport. Like TPK1 the orthologs of the TPK1-subfamily, but not the Arabidopsis homologs, exhibit the same di-acidic motif. In agreement vacuolar trafficking of TPK3 was independent of its CT. • TPK4 is the solely plasma membrane integral AtTPK channel and thus its currents can be recorded at the plasma membrane of Xenopus leavis oocytes. Mutation of in plant TPK channels perfectly conserved pore aspartates (D86N; D200N) knock-out TPK4 channel function and suggest a dimeric assembly similar to that of animal tandem-pore channels. Employing TPK4 as matrix for the expression of the pore domains of the vacuolar TPKs in Xenopus oocytes, I could show the capability of TPK2, TPK3 and TPK5 to complement TPK4. Therefore these channels probably form instantaneous, voltage-independent and potassium selective channels in the vacuolar membrane. Existence of one 14-3-3 binding motif each and one EF-hand (except TPK5) implicates Ca2+ and 14-3-3 dependent activation of those channels like seen for TPK1. • Further combination of structural, mutational and electrophysiological analyses led to the identification of another pore aspartat (Asp 110) essential for the potassium permeation and responsible for the inward rectification. The charged side chain of this Asp 110 faces the water cavity and thus could concentrate and coordinate potassium in the pore as well as interact with cationic blockers like e.g. Mg2+ or polyamine. Again, conservation among the Arabidopsis TPK2-subfamily members suggests that the vacuolar TPKs (except TPK1) are regulated by cytoplasmic blockers and exhibit weak inward rectifiying properties, too. • In contrast to inward rectification current reduction due to cytoplasmic acidification is voltage-independent and thus likely protonation dependent. Due to chimera and deletion mutants of TPK4 the possible sites of the pH-Sensor as well as the gate could be narrowed down to a few residues in the transition zone of transmembrane and cytoplasmic domains, but the essential residues remain elusive.

Bacterial protein toxins belong to the most potent toxins which are known. They exist in many different forms and are part of our every day live. Some of them are spread by the bacteria during infections and therefore play a crucial role in pathogenicity of these strains. Others are secreted as a defense mechanism and could be uptaken with spoiled food. Concerning toxicity, some of the binary toxins of the AB7-type belong to the most potent and dangerous toxins in the world. Even very small amounts of these proteins are able to cause severe symptoms during an infection with pathogen species of the genus Clostridium or Bacillus. Apart from the thread the toxins constitute, they exhibit a unique way of intoxication. Members of the AB7-toxin family consist of a pore-forming subunit B, that acts as a molecular syringe to translocate the enzymatic moieties A into the cytosol of target cells. This complex mechanism does not only kill cells with high efficiency and therefore should be studied for treatment, but also displays a possibility to address certain cells with a specific protein cargo if used as a molecular delivery tool. Concerning both issues, binding and translocation of the channel are the crucial steps to either block or modify the system in the desired way. To gain deeper insight into the transport of binary toxins the structure of the B subunit is of great importance, but being a membrane protein, no crystal could be obtained up to now for either protective antigen (PA) of Anthrax toxin or any other AB7-type binding domain. Therefore, the method of choice in this work is an electro-physical approach using the so-called black-lipid-bilayer system for determination of biophysical constants. Additionally, diverse cell based assays serve as a proving method for the data gained during in vitro measurements. Further information was gathered with specially designed mutants of the protein channel. The first part of this thesis focuses on the translocation process and its possible use as a molecular tool to deliver protein cargo into special cell types. The task was addressed by measuring the binding of different effector proteins related and unrelated to the AB7 toxin family. These proteins were tested in titration experiments for the blockage of the ion current through a membrane saturated with toxin channels. Especially the influence of positively charged His-tags has been determined in detail for PA and C2II. As described in chapter 2, a His-tag transferred the ability of being transported by PA, but not by C2II, to different proteins like EDIN (from S. aureus) in vitro and in cell-based experiments. This process was found to change the well-known voltage-dependency of PA to a huge extend and therefore is related to membrane potentials which play a crucial role in many processes in living cells. Chapter 3 sums up findings, which depict that binding partners of PA share certain common motives. These could be detected in a broad range of substrates, ranging from simple ions in an electrolyte over small molecules to complex protein effectors. The gathered information could be further used to design blocker-substrates for treatment of Anthrax infections or tags, which render PA possible as a molecular syringe for cargo proteins. The deeper insight to homologies and differences of binary toxin components is the core of chapter 4, in which the cross-reactivity of Anthrax and C2-toxin was analyzed. The presented results lead to a better understanding of different motives involved in binding and translocation to and via the B components PA and C2II, as well as the enzymatically active A moieties edema factor (EF), lethal factor (LF) and C2I. In the second part of the thesis, the blockage of intoxication is the center of interest. Therefore, chapter 5 focuses on the analysis of specially designed blocker-substrate molecules for PA. These molecules form a plug in the pore, abolishing translocation of the enzymatic units. Especially, if multi-resistant strains of Anthrax (said to be already produced in Russia as a biological weapon) are taken into consideration, these substrates could stop intoxication and buy time, to deal with the infection. Chapter 6 describes the blockage of PA-channels by anti-His antibody from the trans-side of the porin, an effect which was not described for any other antibody before. Interestingly, even mutation of the estimated target amino acid Histidine 310 to Glycine could not interfere with this ionic strength dependent binding. / Bakterielle Protein-Toxine gehören zu den wirksamsten bekannten Toxinen. In vielfältigen Variationen findet man sie in allen Bereichen des Lebens. Einige werden von den Bakterien während einer Infektion freigesetzt und übernehmen einen wichtigen Part in der Pathogenität. Andere werden zu Verteidigungszwecken sekretiert und können in verdorbenen Lebensmitteln gefunden werden. Was die Wirkung binärer Toxine der AB7-Gruppe angeht, so gehören diese zu den potentesten und gefährlichsten Giften weltweit. Selbst kleine Mengen dieser Proteine können schwerste Symptome während einer Infektion mit Bakterien der Gattung Clostridium oder Bacillus verursachen. Abgesehen von der Bedrohung die durch die Toxine ausgeht, zeichnen sie sich durch einen einzigartigen Intoxikationsmechanismus aus. AB7-Toxine sind aus einer porenformenden Domäne B, die als eine Art molekulare Injektionskanüle fungiert, und enzymatisch aktiven Proteinen A zusammengesetzt. Der komplexe Wirkmechanismus ermöglicht es nicht nur Zellen in höchst effektiver Weise abzutöten und sollte deswegen zu Behandlungszwecken untersucht werden, sondern könnte auch als molekulares Werkzeug umfunktioniert werden, um spezielle Zellen mit gewünschten Proteinen zu beladen. Für beide Zwecke (Blockierung und gezielter Transport) ist die Bindung an, und der Transport durch die porenformende Domäne von größter Bedeutung. Die Struktur der B-Domäne ist wichtig um tiefere Einsicht in den Transportprozess der binären Toxine zu ermöglichen. Leider ist es bisher nicht gelungen die Kristallstruktur des Membranproteins protective antigen (PA) von Anthrax oder irgendeiner anderen Bindedomäne eines AB7-Toxins zu lösen. Deshalb wurde in dieser Arbeit ein elektrophysiologischer Ansatz zur Bestimmung der biophysikalischen Konstanten des Prozesses gewählt, die Black-lipid-Bilayer Methode. Zusätzliche Versuche an Zellen und mit Mutanten der Proteine dienen zur Absicherung der in vitro Ergebnisse. Im ersten Teil der Arbeit wird der Translokationsmechanismus, und die mögliche Nutzung dessen als molekulares Werkzeug näher behandelt. Dies erfolgte durch Bindungsstudien an PA und C2II mit Effektoren (sowohl aus der AB7-Familie, als auch nicht näher verwandt). In Kapitel 2 wird beschrieben, dass ein His-Tag es EDIN (von S. aureus) und anderen Effektoren ermöglicht, dass ein Transport durch PA-Poren in vitro und in vivo stattfindet (nicht aber durch C2II). Ebenfalls konnte eine starke Abweichung in der bekannten Spannungsabhängigkeit von PA festgestellt werden, die den Prozess eindeutig mit den Membranpotentialen in Verbindung bringt, die häufig eine wichtige Rolle im Metabolismus spielen. Kapitel 3 fasst zusammen, dass Bindungspartner von PA bestimmte Motive beinhalten, die von Substraten wie Ionen in Elektrolyten, über kleine Moleküle, bis hin zu komplexen Proteinen reichen. Diese Erkenntnisse könnten genutzt werden um Blockersubstanzen zur Behandlung von Anthrax, oder Tags zur Aufnahme durch Anthrax zu designen. Neueste Befunde zu Homologien und Unterschieden zwischen den Komponenten der binären Toxine sind der Kern von Kapitel 4, in dem die Kreuzreaktivität von Anthrax und C2-Toxin analysiert wurde. Die enthaltenen Daten ermöglichen einen tieferen Einblick in die verschiedenen Stufen der Bindung und Translokation des edema factor (EF), des lethal factor (LF) und von C2I an und durch PA und C2II. Im zweiten Teil rückt die Blockierung der Intoxikation in den Fokus. Die Analyse speziell designter Blockersubstanzen für PA wird in Kapitel 5 behandelt. Diese formen einen Porenverschluss, der weiteren Transport von Toxinkomponenten verhindert. Eine besondere Bedeutung könnten diese Substanzen im Zusammenhang mit Multiresitenz bei Anthrax Stämmen (vermutlich in Russland als biologische Waffe hergestellt) zur Verhinderung von Symptomen und der Verlängerung der Zeit spielen, die man hat um neue Antibiotika zu erzeugen. Kapitel 6 beschreibt zum ersten Mal die Blockierung von PA-Poren mittels eines Anti-His Antikörpers von der trans-Seite aus. Interessanterweise trat diese Ionenstärke abhängige Blockierung, auch bei einer Histidin zu Glycin Mutation an der Stelle 310 (vermutete Bindeposition) auf.

Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2008.

The ability to produce toxins is spread among a huge variety of bacterial strains. A very prominent class of bacterial protein toxins is the family of binary AB toxins sharing a common mode of intoxication. A pore forming component B binds and translocates an enzymatic component A into the cytosol of target cells exhibiting a fatal mode of action. These components are supposed to be not toxic themselves but both required for cell toxicity. Anthrax toxin produced by the Gram-positive bacteria Bacillus anthracis is the best studied binary toxin especially since its use as a biological weapon in the context of the attacks of 9/11 in 2001. In contrast to other binary toxins, Anthrax toxin possesses two different enzymatic components, edema factor (EF), a calcium- and calmodulin-dependent adenylat-cyclase and lethal factor (LF), a zinc-dependent metalloprotease. Protective antigen (PA) is the pore-forming component responsible for binding and translocation. Clostridium botulinum possesses in addition to the well known botulinum toxin (Botox) a variety of other toxins, such as the binary C2 toxin. C2 toxin is composed of the binding and translocation moiety C2II and the enzymatic moiety C2I acting as an actin-ADP-ribosyltransferase. In this study, the mode of translocation and the binding kinetics to the enzymatic component were studied in a biophysical experimental setup. In chapter 2, the binding of the N-terminal fractions EFN and LFN to the PA channel are analyzed in artificial bilayer membranes revealing lower binding affinity compared to full-length EF and LF. Other biophysical properties like voltage-dependency and ionic-strength dependency are not influenced. The results suggest that additional forces are involved in the binding process, than those concerning the N-terminus exclusively, as it was supposed previously. As the treatment of an Anthrax infection with antibiotics is often medicated very late due to the lack of early symptoms, tools to prevent intoxication are required. 4-aminoquinolones like chloroquine are known to block the PA channel, thereby inhibiting intoxication but they also lead to severe side-effects. In chapter 3 new promising agents are described that bind to PA in artificial bilayer systems, elucidating common motives and features which are necessary for binding to PA in general. The possible interaction of Anthrax and C2 toxin is investigated by measuring the binding of one enzymatic component to the respective other toxin’s pore (chapter 4). Interestingly, in vitro experiments using the black lipid bilayer assay show that PA is able to bind to C2I resulting in half saturation constants in the nanomolar range. Furthermore, in vivo this combination of toxin components exhibits cell toxicity in human cell lines. This is first-time evidence that a heterologous toxin combination is functional in in vitro and in vivo systems. In contrast, C2II is able to bind to EF as well as to LF in vitro, whereas in in vivo studies almost no toxic effect is detected. In the case of PA, an N-terminal His6-tag attached to the enzymatic subunit increased the binding affinity (chapter 5). A His6-tag attached to not related proteins also led to high binding affinities, providing the possibility to establish PA as a general cargo protein. In chapter 6 a set of different molecules and proteins is summarized, which are either related or not related to binary toxins, PA is able to bind. In first line, the presence of positive charges is found to be responsible for binding to PA which is in accordance to the fact that PA is highly cation selective. Furthermore, we present evidence that different cationic electrolytes serve as a binding partner to the PA channel. In the last decade another toxin has aroused public attention as it was found to be responsible for a rising number of nosocomial infections: Clostridium difficile CDT toxin. The mode of action of the enzymatic subunit CDTa is similar to C2I of C2 toxin, acting as an ADP-ribosylating toxin. The channel forming and binding properties of CDT toxin are studied in artificial bilayer membranes (chapter 7). We found that two different types of channels are formed by the B component CDTb. The first channel is similar to that of iota toxin’s Ib of Clostridium perfringens with comparable single channel conductance, selectivity and binding properties to the enzymatic subunit CDTa. The formation of this type of channel is cholesterol-dependent, whereas in the absence of cholesterol another kind of channel is observed. This channel has a single channel conductance which is rather high compared to all other binary toxin channels known so far, it is anion selective and does not show any binding affinity to the enzymatic component CDTa. The results reveal completely new insights in channel formation properties and the flexibility of a pore-forming component. Additionally, these findings suggest further possibilities of toxicity of the pore forming component itself which is not known for any other binary toxin yet. Therefore, the pathogenic role of this feature has to be studied in detail. / Die Fähigkeit, Toxine zu produzieren, ist unter verschiedensten Bakterienstämmen sehr verbreitet. Zu diesen Toxinen zählt auch die Familie der binären AB-Toxine, die hauptsächlich von Bakterien der Gattung Bacillus und Clostridium gebildet werden. Charakteristisch für diese bakteriellen Proteintoxine ist der Wirkungsmechanismus der Zellintoxikation. Eine porenformende Untereinheit B bindet eine enzymatische Untereinheit A und transportiert diese in das Zytosol von Zielzellen, die dort tödliche Wirkung entfalten. Es wird angenommen, dass die einzelnen Komponenten an sich nicht toxisch sind, sondern nur in Kombination Zellvergiftung auslösen. Anthrax-Toxin, das von dem Gram-positiven Bakterium Bacillus anthracis produziert wird, ist das bekannteste und am besten untersuchte binäre Toxin, besonders seit es im Jahr 2001 als Biowaffe eingesetzt wurde. Im Gegensatz zu anderen binären Toxinen besitzt das Anthrax-Toxin zwei enzymatische Komponenten: Edema Factor (EF), eine kalzium- und calmodulinabhängige Adenylatzyklase, und Lethal Factor (LF), eine zinkabhängige Metalloprotease. Protective Antigen (PA) ist die porenformende Komponente, die für die Binding und die Translokation der enzymatischen Untereinheiten verantwortlich ist. Clostridium botulinum produziert neben dem bekannten Botulinumtoxin (Botox) eine Reihe weiterer Toxine, unter anderem das binäre C2 Toxin. Dieses besteht aus der Binde- und Translokationskomponente C2II und der enzymatischen Komponente C2I, die als ADP-Ribosyltransferase fungiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden der Translokationsmechanismus und die kinetischen Bindeeigenschaften dieser Toxine biophysikalisch untersucht. In Kapitel 2 wird die Bindung der N-terminalen Fragmente EFN und LFN an den PA-Kanal in künstlichen Lipidmembranen analysiert. Obwohl die Spannungs- und Ionenstärkeabhängigkeit unverändert sind, weisen die verkürzten Proteine deutlich geringe Bindeaffinitäten zu PA im Vergleich zu den vollständigen Proteinen auf. Die Ergebnisse zeigen, dass, anders als bisher angenommen, weitere Kräfte als die zwischen dem N-Terminus und dem PA-Kanal eine Rolle für die Bindung der enzymatischen Komponente spielen. Da bei einer Anthraxinfektion häufig keine frühen Symptome sichtbar sind, erfolgt die Behandlung mit Antibiotika in der Regel relativ spät. Daher werden neue Wirkstoffe benötigt, um einer Intoxikation vorzubeugen. Es ist bekannt, dass 4-Aminoquinolone, wie zum Beispiel Chloroquin, in der Lage sind, die PA-Pore zu blockieren und somit eine Zellvergiftung zu verhindern, allerdings haben diese Wirkstoffe starke Nebenwirkungen. In Kapitel 3 werden neue, vielversprechende Wirkstoffe beschrieben, die an PA binden können und Aufklärung darüber geben, welche Eigenschaften für die Bindung an PA im Allgemeinen verantwortlich sind. Des Weiteren wird untersucht, ob eine Kreuzreaktion zwischen den Komponenten des Anthrax- und C2-Toxins möglich ist (Kapitel 4). Dazu wird die Bindung einer enzymatischen Komponente an die Pore des entsprechenden anderen Toxins gemessen. Interessanterweise ergeben in vitro Experimente an künstlichen Lipidmembranen, dass PA an C2I bindet und in vivo Vergiftungen an humanen Zelllinien auslöst. Damit wird zum ersten Mal gezeigt, dass eine heterologe Toxinkombination sowohl in vitro als auch in vivo funktionell ist. C2II hingegen ist zwar in der Lage, EF und LF zu binden, die Transportrate in Zielzellen ist jedoch sehr gering. Im Fall von PA bewirkt ein N-terminaler His6-tag, der an die enzymtischen Einheiten gekoppelt ist, eine Erhöhung der Bindeaffinität, beschrieben in Kapitel 5. Dies ist sowohl für nah verwandte Proteine der Fall als auch für Proteine, die nicht im Zusammenhang mit binären Toxinen stehen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit, PA als universelles Transportprotein zu nutzen. In Kapitel 6 werden verschiedene Moleküle und Proteine beschrieben, die in der Lage sind, an PA zu binden. Vor allem positive Ladungen scheinen für die Bindung an PA-Kanäle verantwortlich zu sein, was mit der Tatsache, dass PA stark kationenselektiv ist, im Einklang steht. Des Weiteren wird zum ersten Mal beschrieben, dass verschiedene Kationen selbst als Bindepartner fungieren können. Seit einigen Jahren ist ein weiteres Toxin in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt, da es zunehmend für nosokomiale Infektionen verantwortlich gemacht wird: CDT-Toxin von Clostridium difficile. Wie das C2-Toxin besitzt CDT-Toxin ADP-Ribosyltransferaseaktivität, was zu irreversiblen Schäden des Aktin- Zytoskeletts und somit zum Zelltod führt. Die biophysikalischen Eigenschaften, betreffend Porenbildung und Bindeaffinität des CDT-Toxins werden in Kapitel 7 beschrieben. Wir zeigen, dass die B Komponente CDTb fähig ist, zwei unterschiedliche Kanäle zu bilden. Einer dieser Kanäle ist dem des Iota-Toxins von Clostridium perfringens ähnlich, die Einzelkanalleitfähigkeit, Selektivität und Bindeeigenschaften sind vergleichbar. Die Bildung dieses Kanals ist abhängig von Cholesterin, wohingegen in Abwesenheit von Cholesterin überwiegend ein anderer Kanal geformt wird. Dieser zeigt eine für einen binären Toxinkanal ungewöhnlich hohe Einzelkanalleitfähigkeit, der Kanal ist anionselektiv und weist keinerlei Bindeaffinität zu der enzymatischen Komponente CDTa auf. Die Ergebnisse offenbaren neue Einblicke in die Formierung von Toxinkanälen und deuten darauf hin, dass dieses Toxin durch die Flexibilität der Kanalbildung möglicherweise zusätzliche Fähigkeiten besitzt, Zellintoxikation auszulösen. Dennoch ist die physiologische und pathogene Rolle dieser Eigenschaft noch weitestgehend ungeklärt und bedarf intensiver Untersuchung.

Universiẗat, Diss., 2001--München.