University, Diss., 2005--Würzburg.

The establishment of genomic approaches including the sequence determination of complete bacterial genomes started a new era in microbiological research. Since then more than two hundred prokaryotic and eukaryotic genomes have been completely sequenced, and there are additional complete genome projects including different bacterial species and strains in progress (http://www.tigr.org, http://www.sanger.ac.uk). The continously growing amount of bacterial DNA sequence information gives us also the possibility to gain deeper insight into bacterial pathogenesis. With the help of comparative genomics, microbiological research can focus on those DNA sequences that are present in pathogenic bacteria but are absent in non-pathogenic strains. With this knowledge and with the help of molecular biological methods such as PCR,DNA-chip technology, subtractive hybridisation, transcriptomics and proteomics we can analyse in detail what makes a particular bacterial strain pathogenic. This knowledge also gives us the possibility to develop new vaccines, therapeutic approaches or diagnostic tools. The aim of this work was the structural and functional analysis of DNA regions of uropathogenic Escherichia coli strain 536 that belong to the flexible E. coli gene pool. The first part of this thesis focused on the identification and structural characterisation of pathogenicity island V of strain 536 (PAI V536). PAI V536 is integrated at the pheV tRNA gene at 64 minutes of the E. coli K-12 chromosome. In addition to the intact pheV tRNA gene, a truncated copy ('pheV) that represents the last 22 bp of this gene’s 3'-end was identified 49 kb downstream of pheV on PAI V536. The analysis of the DNA sequence flanked by pheV and 'pheV revealed characteristics that are typical of PAIs. This DNA region exhibits homology to IS-elements and prophages and also comprises determinants coding for the Pix fimbriae, a phosphoglycerate transport system, an autotransporter, as well as for hypothetical proteins. Downstream of 'pheV, the K15 capsule determinant (kpsK15) of this strain is located. Structural analysis of the 20-kb kpsK15 locus revealed a so far unknown genetic organisation indicative of recombination events between a group 2 and group 3 capsule gene cluster. Downstream of the capsule determinant, the genes encoding a type II secretion system (general secretion pathway -GSP) are located on PAI V536. The K15 capsule locus was functionally characterized. Specific inactivation of each of the regions 1 to 3 of the kpsK15 gene cluster, and the use of a K15 capsule-specific antiserum demonstrated that this determinant is the functional K15 capsule locus of strain 536. It has been shown in an experimental murine model of ascending urinary tract infection with suckling mice that the K15 capsule contributes to urovirulence. Interestingly, the K15 capsule is not involved in serum resistance of strain 536. Inactivation of the PAI V536-encoded type II secretion system excluded a role of this general secretion pathway for capsule biosynthesis and virulence of strain 536 in the murine ascending urinary tract infection model. In the second part of the thesis, the transferability of PAIs was further investigated. Using PAI II536 as a model, mobilisation of this island from strain 536 into suitable recipient strains was investigated. For this purpose, an antibiotic resistance cassette, the R6K origin of replication as well as plasmid pGP704 carrying the mobilisation region of plasmid RP4 have been inserted into PAI II536. Transformation with the helper plasmid RP4, resulted a derivative of strain 536 that was used as a donor for conjugation experiments, while for recipient the pir + laboratory strain SY327 was used. After deletion the circularised PAI II536 was mobilised with the help of the conjugative helper plasmid (RP4) into the recipient laboratory strain SY327. The frequency of this event was about 10-8. It was also demonstrated that in the transconjugant strains the mobilized PAI II536 could be permanently present as a circular form and also can be integrated into the chromosome at the same chromosomal insertion site (leuX) as in the donor strain 536. Furthermore, after mobilisation and chromosomal integration of PAI II536 it was possible to remobilise this PAI back to a PAI II536-negative derivative of strain 536. The results obtained in this thesis increase our knowledge of the structure and function of a pathogenicity island of uropathogenic E. coli strain 536 and shed some light on the mechanisms contributing to genome plasticity and evolution of pathogenic E. coli variants. / Mit der Einführung von Genomanalytik einschließlich der Sequenzbestimmung bakterieller Genome, startete eine neue Ära in der mikrobiologischen Forschung. Seit Beginn dieser Ära sind mehr als 200 prokaryotische und eukaryotische Genome komplett sequenziert worden. Weitere Genomanalysen über verschiedene Bakterienspezies und Stämme sind in Arbeit(http://www.tigr.org, http://www.sanger.ac.uk). Durch die stetig anwachsende Menge an Informationen über bakterielle DNA Sequenzen, sind wir in der Lage, einen tieferen Einblick in die bakterielle Pathogenität zu bekommen. Mittels vergleichender Genomanalyse kann sich die mikrobiologische Forschung auf bestimmte DNA Sequenzen konzentrieren, welche in pathogenen Stämmen vorhanden sind, in apathogenen Stämmen aber fehlen. Mit diesem Wissen und durch molekularbiologische Methoden wie Polymerase Kettenreaktion, DNA-Chip- Technologie, Subtraktiver Hybridisierung, Transkriptom- und Proteom-Analyse können wir im Detail untersuchen, welche Faktoren für die Pathogenität eines speziellen Bakterienstammes verantwortlich sind. Diese Erkenntnisse geben uns auch die Möglichkeit neue Impfstoffe, therapeutische Verfahren und diagnostische Werkzeuge zu entwickeln. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Struktur und Funktion von DNA-Regionen des uropathogenen Escherichia coli Stammes 536, welche zum flexiblen Genpool von E. coli gehören. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung und strukturelle Charakterisierung der Pathogenitätsinsel V des E. coli Stammes 536 (PAI V536). Die Integrationsstelle von PAI V536 liegt im E. coli K-12 Chromosom beim tRNA Gen pheV bei 64 Minuten. Zusätzlich zum intakten pheV tRNA Gen wurde auf der PAI V536 eine verkürzte Kopie des Gens (´pheV) 49 kb stromabwärts von pheV identifiziert. Diese Kopie repräsentiert die letzten 22 bp des 3´-Endes von pheV. Eine Analyse der von pheV und ´pheV eingeschlossenen DNASequenz zeigte typische Eigenschaften einer Pathogenitätsinsel. Die untersuchte DNA-Region besitzt Homologie zu IS-Elementen und Prophagen, außerdem beinhaltet sie Determinanten, die für Pix Fimbrien, ein Phosphoglycerat-Transportsystem, einen Autotransporter sowie für unbekannte Proteine kodieren können. Stromabwärts von ´pheV liegt die K15 Kapsel Determinante (kpsK15) des E. coli Stammes 536. Eine strukturelle Analyse des 20-kb kpsK15 Lokus zeigte eine bislang unbekannte genetische Anordnung, welche auf ein Rekombinationsereignis zwischen einem Gruppe 2 und einem Gruppe 3 Kapsel Gencluster hinweist. Stromabwärts der Kapsel Determinante sind auf der PAI V Gene lokalisiert, welche für ein Typ II Sekretionssystem („General Secretion Pathway“) kodieren. Der K15 Kapsel Lokus wurde funktional charakterisiert. Die spezifische Inaktivierung der Regionen 1 bis 3 des kpsK15 Genclusters und die Verwendung eines K15 Kapsel-spezifischen Antiserums zeigten, daß es sich tatsächlich um den funktionalen K15 Kapsellokus des E. coli Stammes 536 handelt. Im Tiermodel einer aufsteigenden Harnwegsinfektion bei neugeborenen und säugenden Mäusen, konnte gezeigt werden, daß die K15 Kapsel zur Urovirulenz beiträgt. Interessanterweise trägt die K15 Kapsel des E. coli Stammes 536 nicht zur Serumresistenz bei. Die Inaktivierung des in der PAI V536 kodierten Typ II Sekretionssystems schließt eine Rolle des „General Secretion Pathways“ bei der Kapsel Biosynthese und bei der Virulenz des E. coli Stammes 536 im Mausinfektionsmodel einer aufsteigenden Harnwegsinfektion aus. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Mobilisierung von Pathogenitätsinseln untersucht. PAI II536 wurde als Model genutzt, um den Transfer einer PAI von E. coli 536 in einen geeigneten Rezipientenstamm zu zeigen. Zu diesem Zweck wurde eine Antibiotikaresistenzkassette, der Replikationsstartpunkt RK6 und das Plasmid pGP704, das die Mobilisierungsregion des Plamides RP4 besitzt, in die PAI II536 inseriert. Nach Transformation des Helferplasmids RP4 wurde das daraus resultierende Derivat des E. coli Stammes 536 als Donor für Konjugationsexperimente mit dem Rezipientenstamm SY327 eingesetzt. Diese Mobilisierungsexperimente zeigten, daß die gesamte PAI II536 mit einer Frequenz von ungefähr 10-8 in einen Rezipientenstamm übertragen werden kann. In den Transkonjuganten konnte PAI II536 an derselben chromosomalen Insertionsstelle (leuX) wie im Donorstamm E. coli 536 inserieren. Weiterhin war es möglich PAI II536, nach Mobilisierung und chromosomaler Integration in einem Rezipientenstamm, wieder zurück in ein PAI II536 negatives Derivat von E. coli 536 zu transferieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern unser Wissen hinsichtlich der Struktur und Funktion einer Pathogenitätsinsel des uropathogenen E. coli Stammes 536 und geben Aufschluß über den Mechanismus, der zur Genomplastizität und Evolution pathogener E. coli Varianten beiträgt.

Techn. University, Diss., 2005--München.

Das ADAMTS16-Gen kodiert für eine Metalloproteinase, deren Funktion und Regulation bislang nicht beschrieben sind. Die ADAMTSs werden von Zellen verschiedener Organsysteme sezerniert und sind für den Abbau extrazellulärer Matrixbestandteile und die Prozessierung von Oberflächenrezeptoren, Signalmolekülen oder Wachstumsfaktoren verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurden die gewebespezifische Lokalisation von Adamts16 und die möglichen Funktionen der Metalloproteinase im Urogenitalsystem untersucht. Weiterhin konnte die Regulation der Adamts16-Expression durch das Wilms-Tumor Protein beschrieben werden. In verschiedenen Zelllinien des Urogenitalsystems konnte eine Wt1-abhängige Adamts16-Expression festgestellt werden. Zudem erfolgte im Urogenitalsystem eine Koexpression von Adamts16 und Wt1 in embryonalen und adulten Podozyten, somatische Zellen der XX-Gonadenanlage und Granulosazellen und Epithelzellen des adulten Ovars. Im Testis war Adamts16 ohne signifikante Wt1-Koexpression in Spermatozyten und elongierten Spermatiden lokalisiert. Außerhalb des Urogenitalsystems waren Adamts16 und Wt1 im Epikard koexprimiert. Ein Wt1-Knockdown in Epikardzellen und embryonalen Nieren zeigte jeweils einen Rückgang des Adamts16-Expressionsniveaus. Ein Adamts16-Knockdown in embryonalen Nieren resultierte in verminderten Ureterverästelungen, was eine funktionelle Rolle von Adamts16 in der murinen Nierenentwicklung ex vivo andeutet. Der Wt1-Knockdown in Gonadenkulturen zeigte, dass Wt1 die Adamts16-Expression in XY-Gonaden hemmt, in XX-Gonaden hingegen aktiviert. Innerhalb des Adamts16-Gens konnten drei Wt1-Konsensusmotive identifiziert werden. Mit Hilfe von EMSAs und ChIPs konnte die Bindung der Wt1(-KTS)-Isoform an diese Konsensusmotive belegt werden. Ein Reportergenassay zeigte die Aktivierung des Adamts16-Promotors durch Wt1(-KTS) in Granulosazellen, wobei eine Verkürzung der Adamts16-Promotorsequenz zu einer Reduktion der Promotoraktivität führte. / The Adamts16 gene encodes for a metalloproteinase, whose function and regulation is hardly explored. ADAMTSs are secreted by different cells of various organs and are responsible for breaking down extracellular matrix compounds and processing signaling molecules, growth factors and surface receptors. In this work the tissue specific localization of Adamts16 and its possible function and regulation within the genito-urinary system were analyzed. Furthermore the regulation of Adamts16 through the wilms tumor transcription factor Wt1 is described. Different cell lines derived from the genito-urinary system showed a Wt1-dependent mRNA expression of Adamts16. In addition both proteins were co-expressed in embryonic and adult podocytes, somatic cells of the embryonic XX-gonad and granulosa and epithelial cells of the adult ovary. The testes showed a Wt1-independent Adamts16 expression in spermatocytes and elongated spermatids. Outside the genito-urinary system Adamts16 and Wt1 were co-expressed in the epicardium. Knockdown of Wt1 in both epicardial cells and embryonic kidney explants showed a decrease in the Adamts16 mRNA expression level. In turn the Knockdown of Adamts16 led to an inhibited branching morphogenesis in embryonic kidney explants. This indicates a functional role of Adamts16 in the ex vivo kidney development. Knockdown of Wt1 in cultured embryonic gonads revealed that Wt1 inhibits the expression of Adamts16 in XY-gonads but activates it in XX-gonads. Three Wt1 consensus motives were identified within the Adamts16 gene. Using EMSA and ChIP the binding of the Wt1(-KTS)-isoform to all three consensus motives was verified. The ability of Wt1 to activate the Adamts16 promoter was confirmed through reporter gene assays in granulosa cells.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet umfangreiche histologische Untersuchungen an verschiedenen Tumoren bezüglich ihrer Infiltration durch Makrophagen-Subpopulationen, Granulozyten und Lymphozyten. Hierfür wurden 18 Gewebe-Mikroarrays mit jeweils 200 - 300 Tumorstanzen aus insgesamt 27 Organen des Gastrointestinaltraktes, des Urogenitaltraktes, des Respirationssystems und des endokrinen Systems angefertigt. Da alle Proben mit derselben Technik (Gewebe-Mikroarrays, Immunhiostochemie) ausgewertet wurden, bestand nun erstmalig die Möglichkeit eines direkten Vergleiches zwischen den verschiedenen Tumoren unterschiedlicher Organe. Für die immunhistochemischen Untersuchungen wurden fünf verschiedene Antikörper (anti-KP1, anti-PG-M1, anti-MRP8, anti-MRP14, anti-MRP8/14) eingesetzt. Die Antikörper gegen die Epitope PG-M1 und KP1 gelten als Pan-Makrophagen-Marker. Die Antikörper anti-MRP8, anti-MRP14 und anti-MRP8/14 gelten als Marker für entzündlich aktivierte Makrophagen. Diese Makrophagen wurden in einen aktiven inflammatorischen Typ (MRP14+, MRP8/14+), der proinflammatorische Zytokine wie TNF-a und Sauerstoffradikale bildet, und in einen chronisch inflammatorischen Typ (MRP8+) eingeteilt. Die Formation des MRP8/14-Heterodimers korreliert mit der zellulären Aktivierung wie z. B. mit der Aktivierung der NADPH-Oxidase. Es wurde beschrieben, dass diese Makrophagen auf Grund ihrer Eigenschaften eventuell die Tumorzellproliferation inhibieren und zytotoxische Wirkungen auf Tumorzellen ausüben können. Für die verschiedenen Tumorgewebe wurden höhere Makrophagendichten im Vergleich zum Normalgewebe und eine vergleichsweise geringe Dichte an MRP+ Makrophagen sowie signifikante Korrelationen zwischen den verschiedenen Makrophagen-Subpopulationen festgestellt. Die Dichte der Lymphozyten korrelierte negativ mit steigendem Tumorzellanteil und mit fortgeschrittenem Tumorstadium. Die Abnahme der Lymphozyten (Gastrointestinal- und Respirationstrakt) im Tumorgewebe im Vergleich zum tumorfreien Gewebe sowie die geringe Anzahl der potenziell tumoriziden MRP8/14+ Makrophagen lässt vermuten, dass die Immunantwort gegen den Tumor unterdrückt wird. Die positive Assoziation zwischen Makrophagen und Lymphozyten weist jedoch darauf hin, dass Makrophagen nicht am Rückgang der Lymphozyten beteiligt sind . Eine Korrelation der Makrophagen mit klinisch relevanten Parametern (pT-Stadium, UICC-Stadium, Lymphknotenmetastasen) zeigten ein voneinander abweichendes Infiltrationsmuster der CD68+ und MRP+ Makrophagen, was auf unterschiedliche Funktionen hinweist. Ferner liegen zahlreichen funktionelle Untersuchungsergebnisse anderer Arbeitsgruppen vor, welche darauf hinweisen, dass Makrophagen durch Hypoxie angezogen werden und im hypoxischen Tumorgewebe schließlich an der Neubildung von Blut- und Lymphgefäßen beteiligt sind. Um einen möglichen Zusammenhang zu zeigen, wurde mit den Antikörpern anti-CD31 und anti-CD34 die Gefäßdichte in Tumoren untersucht. Es zeigten sich zahlreiche positive Korrelationen zwischen Gefäßen und Makrophagen, jedoch konnte in den tumorfreien Geweben kein Zusammenhang zwischen beiden Größen gefunden werden. Das Vorkommen größerer Makrophagendichten in Tumoren mit wenig Nekrose als in Tumoren ohne Nekrose, die positive Korrelation zwischen der Anzahl der Gefäße und der Zahl der Makrophagen in Tumoren und die Unabhängigkeit von Makrophagen und Gefäßen im tumorfreien Gewebe legt die Vermutung nahe, dass TAM die Angiogenese begünstigen. Trotz vieler ähnlicher Charakteristika zwischen den Tumoren unterschiedlichen Ursprungsgewebes wurden auch Unterschiede festgestellt, die besonders die Anzahl der Makrophagen-Subpopulationen betreffen. Weitere Studien zur Aufklärung der Funktion unterschiedlicher Makrophagen-Subpopulationen (z. B. Immunsuppression, Neoangiogenese) sind notwendig, um deren Relevanz für das Tumorwachstum und die Tumorprogression aufzuklären.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet umfangreiche histologische Untersuchungen an verschiedenen Tumoren bezüglich ihrer Infiltration durch Makrophagen-Subpopulationen, Granulozyten und Lymphozyten. Hierfür wurden 18 Gewebe-Mikroarrays mit jeweils 200 - 300 Tumorstanzen aus insgesamt 27 Organen des Gastrointestinaltraktes, des Urogenitaltraktes, des Respirationssystems und des endokrinen Systems angefertigt. Da alle Proben mit derselben Technik (Gewebe-Mikroarrays, Immunhiostochemie) ausgewertet wurden, bestand nun erstmalig die Möglichkeit eines direkten Vergleiches zwischen den verschiedenen Tumoren unterschiedlicher Organe. Für die immunhistochemischen Untersuchungen wurden fünf verschiedene Antikörper (anti-KP1, anti-PG-M1, anti-MRP8, anti-MRP14, anti-MRP8/14) eingesetzt. Die Antikörper gegen die Epitope PG-M1 und KP1 gelten als Pan-Makrophagen-Marker. Die Antikörper anti-MRP8, anti-MRP14 und anti-MRP8/14 gelten als Marker für entzündlich aktivierte Makrophagen. Diese Makrophagen wurden in einen aktiven inflammatorischen Typ (MRP14+, MRP8/14+), der proinflammatorische Zytokine wie TNF-a und Sauerstoffradikale bildet, und in einen chronisch inflammatorischen Typ (MRP8+) eingeteilt. Die Formation des MRP8/14-Heterodimers korreliert mit der zellulären Aktivierung wie z. B. mit der Aktivierung der NADPH-Oxidase. Es wurde beschrieben, dass diese Makrophagen auf Grund ihrer Eigenschaften eventuell die Tumorzellproliferation inhibieren und zytotoxische Wirkungen auf Tumorzellen ausüben können. Für die verschiedenen Tumorgewebe wurden höhere Makrophagendichten im Vergleich zum Normalgewebe und eine vergleichsweise geringe Dichte an MRP+ Makrophagen sowie signifikante Korrelationen zwischen den verschiedenen Makrophagen-Subpopulationen festgestellt. Die Dichte der Lymphozyten korrelierte negativ mit steigendem Tumorzellanteil und mit fortgeschrittenem Tumorstadium. Die Abnahme der Lymphozyten (Gastrointestinal- und Respirationstrakt) im Tumorgewebe im Vergleich zum tumorfreien Gewebe sowie die geringe Anzahl der potenziell tumoriziden MRP8/14+ Makrophagen lässt vermuten, dass die Immunantwort gegen den Tumor unterdrückt wird. Die positive Assoziation zwischen Makrophagen und Lymphozyten weist jedoch darauf hin, dass Makrophagen nicht am Rückgang der Lymphozyten beteiligt sind . Eine Korrelation der Makrophagen mit klinisch relevanten Parametern (pT-Stadium, UICC-Stadium, Lymphknotenmetastasen) zeigten ein voneinander abweichendes Infiltrationsmuster der CD68+ und MRP+ Makrophagen, was auf unterschiedliche Funktionen hinweist. Ferner liegen zahlreichen funktionelle Untersuchungsergebnisse anderer Arbeitsgruppen vor, welche darauf hinweisen, dass Makrophagen durch Hypoxie angezogen werden und im hypoxischen Tumorgewebe schließlich an der Neubildung von Blut- und Lymphgefäßen beteiligt sind. Um einen möglichen Zusammenhang zu zeigen, wurde mit den Antikörpern anti-CD31 und anti-CD34 die Gefäßdichte in Tumoren untersucht. Es zeigten sich zahlreiche positive Korrelationen zwischen Gefäßen und Makrophagen, jedoch konnte in den tumorfreien Geweben kein Zusammenhang zwischen beiden Größen gefunden werden. Das Vorkommen größerer Makrophagendichten in Tumoren mit wenig Nekrose als in Tumoren ohne Nekrose, die positive Korrelation zwischen der Anzahl der Gefäße und der Zahl der Makrophagen in Tumoren und die Unabhängigkeit von Makrophagen und Gefäßen im tumorfreien Gewebe legt die Vermutung nahe, dass TAM die Angiogenese begünstigen. Trotz vieler ähnlicher Charakteristika zwischen den Tumoren unterschiedlichen Ursprungsgewebes wurden auch Unterschiede festgestellt, die besonders die Anzahl der Makrophagen-Subpopulationen betreffen. Weitere Studien zur Aufklärung der Funktion unterschiedlicher Makrophagen-Subpopulationen (z. B. Immunsuppression, Neoangiogenese) sind notwendig, um deren Relevanz für das Tumorwachstum und die Tumorprogression aufzuklären.