Die Bcl-2-Familienmitglieder A1 und sein humanes Homolog Bfl-1 gewährleisten das Überleben der Zelle. Gleichzeitig trägt eine Dysregulation der Expression von A1/ Bfl-1 zur Krebsentstehung bei. Die Stabilität von A1/ Bfl-1 wird durch deren Ubiquitinylierung sowie die anschließende proteosomale Degradation gesteuert. Mit Hilfe eines Yeast-Two-Hybrid-Screens wurde die E3-Ubiquitinligase HectD1 als potentieller Interaktionspartner von A1/ Bfl-1 identifiziert. Die Interaktion von A1 und HectD1 des Yeast-Two-Hybrid-Screens konnte in Säugerzellen bestätigt werden. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass lediglich 87 Aminosäuren für eine Interaktion von HectD1 und A1 nötig sind. Da membrangebundenes HectD1 zu einer Translokation von zytosolischem A1 an die Zellmembran führt, kann man davon ausgehen, dass beide Proteine auch in vivo miteinander interagieren. Eine dominant negative HectD1-Mutante schließlich beeinflusst die Ubiqutinylierung von A1 und führt somit zu dessen Stabilisierung. Diese Daten legen nahe, dass HectD1 ein wichtiger negativer Regulator von A1/ Bfl-1 ist und dass HectD1 für die Regulierung der A1/ Bfl-1-Proteinmenge in (Krebs)zellen sehr wichtig ist. / The Bcl-2 family members A1 and its human orthologue Bfl-1 support survival of cells. Dysregulation of their expression contributes to cancer. Stability of A1/ Bfl-1 is controlled by ubiquitination followed by degradation via the proteasome. Using a yeast two-hybrid screen we identified the E3 ubiquitin-ligase HectD1 as potential A1/ Bfl-1-interacting partner. We confirmed interaction of these two proteins in mammalian cells. Only 87 amino acids of HectD1 are necessary for the interaction of the protein with A1. Membrane-bound HectD1 recruits A1 to the membranes further supporting the notion that the two proteins interact in vivo. Importantly, dominant negative versions of HectD1 interfered with ubiquitination of A1 stabilizing the protein. These findings indicate that HectD1 maybe an important negative regulator of the A1/ Bfl-1 anti-apoptotic protein, providing an important target for interfering with dysregulation of A1/ Bfl-1 in cancer.

In this study we have investigated the possible role of c-Jun and it’s activation by the JNK pathway in neuronal cell death and in the inflammatory response of activated astrocytes. The first part of this thesis focuses on the role of site specific phosphorylation of c-Jun in neuronal cell death. The second part focuses on the function of c-Jun in LPS-mediated activation of Bergmann glia cells. In the nervous system, activation of c-Jun transcription factor by different isoforms of c-Jun N-terminal kinase (JNK) functions in various cellular programs, including neurite outgrowth, repair and apoptosis. Yet, the regulatory mechanism underlying the functional dichotomy of c-Jun remains to be elucidated. Serine (S) 63/73 and threonine (T) 91/93 of c-Jun are the target phosphorylation sites for JNKs in response to various stimuli. Yet, these two groups of phosphorylation sites are differentially regulated in vivo, as the S63/73 sites are promptly phosphorylated upon JNK activation, whereas T91/93 phosphorylation requires a priming event at the adjacent T95 site. In our study, we used cerebellar granule cell (CGC) apoptosis by trophic/potassium (TK) deprivation as a model system to investigate the regulation and function of site-specific c-Jun phosphorylation at the S63 and T91/T93 JNK-sites in neuronal cell death. In this model system, JNK induces pro-apoptotic genes through the c-Jun/Ap-1 transcription factor. On the other side, a survival pathway initiated by lithium leads to repression of pro-apoptotic c-Jun/Ap-1 target genes without interfering with JNK activity. Yet, the mechanism by which lithium inhibits c-Jun activity remains to be elucidated. We found that TK-deprivation led to c-Jun phosphorylation at all three JNK sites. However, immunofluorescence analysis of c-Jun phosphorylation at single cell level revealed that the S63 site was phosphorylated in all c-Jun-expressing cells, whereas the response of T91/T93 phosphorylation was more sensitive, mirroring the switch-like apoptotic response of cerebellar granular cells (CGCs). Furthermore, we observed that lithium impaired c-Jun phosphorylation at T91/93, without interfering with S63/73 phosphorylation or JNK activation, suggesting that T91/T93 phosphorylation triggers c-Jun pro-apoptotic activity. Notably, expression of a c-Jun mutant lacking the T95-priming site for T91/93 phosphorylation (c-Jun A95) mimicked the effect of lithium on both cell death and c-Jun site-specific phosphorylation, whereas it was fully able to induce neurite outgrowth in naïve PC12 cells. Vice-versa, a c-Jun mutant bearing aspartate-substitution of T95 overwhelmed lithium-mediate protection of CGCs from TK-deprivation, validating that inhibition of T91/T93/T95 phosphorylation underlies the effect of lithium on cell death. Mass-spectrometry analysis confirmed that c-Jun is phosphorylation at T91/T93/T95 in cells. Moreover, recombinant-JNK phosphorylated c-Jun at T91/T93 in a T95-dependent manner. Based on our results, we propose that T91/T93/T95 phosphorylation of c-Jun functions as a sensitivity amplifier of the JNK cascade, setting the threshold for c-Jun pro-apoptotic activity in neuronal cells. In the central nervous system (CNS), the c-Jun transcription factor has been mainly studied in neuronal cells and coupled to apoptotic and regenerative pathways following brain injury. Besides, several studies have shown a transcriptional role of c-Jun in activated cortical and spinal astrocytes. In contrast, little is known about c-Jun expression and activation in Bergmann glial (BG) cells, the radial cerebellar astrocytes playing crucial roles in cerebellar development and physiology. In this study, we used neuronal/glial cerebellar cultures from neonatal mice to assess putative functions of c-Jun in BG cells. By performing double immunocytochemical staining of c-Jun and two BG specific markers, S100 and GLAST, we observed that c-Jun was highly expressed in radial glial cells derived from Bergmann glia. Bergmann glia-derived cells expressed toll-like receptor (TLR 4) and treatment with bacterial lipopolysaccharide (Le et al.) induced c-Jun phosphorylation at S63, exclusively in BG cells. Moreover, LPS induced IL-1β expression and inhibition of JNK activity abolished both c-Jun phosphorylation and the increase of IL-1β mRNA. Notably, we also observed that LPS failed to induce IL-1β mRNA in neuronal/glial cerebellar cultures generated from conditional knockout mice lacking c-Jun expression in the CNS. These results indicate that c-Jun plays a central role in c-Jun in astroglial-specific induction of IL-1β. Furthermore, we confirmed in vivo that c-Jun is expressed in BG cells, during the formation of the BG monolayer. Altogether, our finding underlines a putative role of c-Jun in astroglia-mediated neuroinflammatory dysfunctions of the cerebellum. / In dieser Studie wurde die Rolle des Transkriptionsfaktors c-Jun sowie seine Aktivierung durch den JNK Signalweg beim neuronalen Zelltod und bei der entzündlichen Reaktion von aktivierten Astrozyten untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle von mehrfacher c-Jun Phosphorylierung an den Aminosäuren Threonin 91/93/95 beim neuronalen Zelltod. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Rolle von c-Jun und seine Transaktivierung in LPS-vermittelter Aktivierung von Bergmann Gliazellen. Als Modellsystem für den neuronalen Zelltod wurde die Apoptose von cerebellären Granularzellen (CGC) durch trophische Granulazellen Kaliumkonzentration-Erniedrigung (TK) verwendet, da es ein Modell der Um das ist, das Zusammenspiel von pro-apoptotischen und pro-Überleben Signalwegen beim neuronalen Zelltod zu studieren. In diesem Modell induziert die c-Jun N-terminale Kinase (JNK) pro-apoptotische Gene durch den c-Jun/Ap-1 Transkriptionsfaktor. Auf der anderen Seite, führt ein Lithium-induzierter Überleben-Signalweg zur Unterdrückung der pro-apoptotischen c-Jun/Ap-1 Zielgene, ohne Interferenz mit JNK Aktivität. Es blieb jedoch der Mechanismus zu klären, durch den Lithium c-Jun-Aktivität hemmt. In der Arbeit wurde dieses Modellsystem benutzt, um die Regulation und Funktion der c-Jun-Phosphorylierung durch JNK an den Stellen S63 und T91/T93 beim neuronalen Zelltod zu studieren. Es wurde gefunden, dass TK-Kaliumerniedrigung zu c-Jun phosphorylierung führte und zwar an allen drei durch JNK phosphorylierbaren Ser/Thr (JNK-Stellen). Immunfluoreszenzanalyse von c-Jun Phosphorylierung auf Einzel-Zell-Ebene ergab jedoch, dass die S63-Stelle in allen c-Jun-exprimierenden Zellen phosphoryliert wurde, während T91/T93 Phosphorylierung empfindlicher war, analog zur Schalter-ähnlichen apoptotischen Antwort von CGCs. Umgekehrt verhinderte Lithium T91 und T93 Phosphorylierung und Zelltod ohne Wirkung auf die S63-Seite, was darauf hindeutet, dass T91/T93 Phosphorylierung durch c-Jun eine pro-apoptotische Aktivität auslöst. Dementsprechend schützte eine c-Jun-Mutation, der die T95 Priming-Stelle für T91/93 Phosphorylierung fehlt (T95A), CGCs vor Apoptose, wohingegen T95A Neuriten-wachstum in PC12-Zellen induzieren konnte. Umgekehrt führte eine c-Jun Mutante mit Aspartat-Substitution von T95 (T95D ) zur Aufhebung der schützenden Wirkung von Lithium auf CGC Apoptose, wodurch bestätigt wurde, dass die Inhibierung der T91/T93/T95 Phosphorylierung der Wirkung von Lithium auf den Zelltod zugrundeliegt. Massenspektrometrie-Analyse bestätigte multiple Phosphorylierung von c-Jun an T91/T93/T95 in den Zellen. Außerdem wurde rekombinantes c-Jun durch JNK an T91/T93 in einer T95-abhängigen Weise phosphoryliert. Basierend auf diesen Ergebnissen wird vorgeschlagen, dass T91/T93/T95 phosphorylierung von c-Jun als Empfindlichkeit-Verstärker der JNK-Kaskade fungiert, der die Schwelle für die pro-apoptotische Aktivität von c-Jun in neuronalen Zellen einstellt. Im zentralen Nervensystem (ZNS) wurde die Rolle des c-Jun Transkriptionsfaktors hauptsächlich bei neuronalem Zelltod und bei neuronaler Regeneration nach Hirnschädigung untersucht. Außerdem wurde auch eine Rolle für c-Jun bei der Transkription in aktivierten kortikalen und spinalen Astrozyten beschrieben. Im Gegensatz dazu ist wenig bekannt über die Expression von c-Jun und dessen Transaktivierung in Bergmann Gliazellen (BG)-Zellen, die eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Kleinhirns und dessen Physiologie spielen. In dieser Arbeit wurde die putative Rolle von c-Jun bei kultivierten neuronalen/BG-Zellen aus dem Maus-Kleinhirn untersucht. Immunfluoreszenzanalyse von c-Jun und zwei für BG-Zellen spezifische Marker, S100 und GLAST, ergab, dass c-Jun in BG-Zellen hoch exprimiert wurde. Außerdem wurde gefunden, dass der Toll-like Rezeptor TLR4 in BG-Zellen exprimiert ist und dass die Behandlung mit bakteriellem Lipopolysaccharid (Le et al.) die c-Jun- Phosphorylierung an S63 induziert. Zusätzlich wurde gefunden, dass LPS IL-1b Expression induziert und die Inhibierung von JNK Aktivität verhinderte sowohl c-Jun-Phosphorylierung, als auch die Zunahme von IL-1 b mRNA. Insbesondere konnte LPS die IL-1b mRNA-Produktion in neuronalen / BG-Kulturen aus konditionellen Knockout Mäusen, denen c-Jun im ZNS fehlte, nicht induzieren, womit gezeigt wurde, dass c-Jun bei der Astroglia-spezifischen Induktion von IL-1 b essentiell ist. Immunohistochemische Analyse von c-Jun-exprimierenden Zellen im postnatalen Kleinhirn bestätigte in-vivo die Expression von c-Jun in BG Zellen und förderte eine dynamische Expression von c-Jun während der Entwicklung der BG Monolayer zutage. Insgesamt unterstreichen die Befunde dieser Arbeit eine wahrscheinliche Rolle von c-Jun bei Astroglia-vermittelten neuroinflammatorischen Funktionsstörungen des Kleinhirns.

Staphylococcus aureus is a facultative Gram-positive human pathogen which can cause different severe infections. Staphylococci are phagocytosed by professional and non-professional phagocytes; they are strongly cytotoxic against eukaryotic cells and have been proposed to play a role in immune evasion by spreading within migrating phagocytes. This study investigated the post invasive events upon S. aureus infection. Strains which are able to escape the phagosome were identified and the responsible toxins were determined. Thereby innovative insights into host pathogen interaction were obtained. A novel class of small amphipathic peptides with strong surfactant-like properties, the phenol soluble modulins, particularly PSMα as well as the leukocidin LukAB, are involved in phagosomal escape of the clinical S. aureus strains LAC, MW2 and 6850 in non-professional and professional phagocytes. Whereas, PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin or phosphatidyl inositol-dependent phospholipase C did not affect phagosomal escape. By blocking the bacterial DNA-dependent RNA polymerase with rifampicin phagosomal escape is determined to start approximately 2.5 hours post infection. Phagosomal escape further was required for intracellular replication of S. aureus. Strains which are not able to escape cannot replicate in the acidic vacuole, whereas, the host cytoplasm offers a rich milieu for bacterial replication. Additionally, phagosomal escape, with intracellular bacterial replication induces the subsequent host cell death. This could be confirmed by an infection assay including S. aureus knockout mutants in psmα or lukAB which were significantly less cytotoxic, compared with those infected with escape-positive wild type strains. Further, this study showed that phagosomal escape is not only mediated by bacterial toxins. Since, the phagocyte-specific cognate receptors for both escape relevant toxins, FPR2 (PSMα receptor) and CD11b (LukAB receptor) are produced in epithelial and endothelial cells only after infection with S. aureus in a calcium dependent fashion. The knockdown of both receptors using siRNA prevents S. aureus to escape the phagosome. Furthermore, blocking intracellular calcium release with the inositol trisphosphate receptor (IP3R) inhibitor 2-APB prohibits upregulation of fpr2 and cd11b and subsequently phagosomal escape of S. aureus. To conclude, the current study clarifies that phagosomal escape and host cell death are interplay of both, bacterial toxins and host cell factors. Staphylococcus aureus ist ein fakultativ Gram-positives Humanpathogen, dass verschiedene schwerwiegende Infektionen verursachen kann. Staphylokokken werden von professionellen und nicht-professionellen Phagozyten (Fresszellen) zu gleich aufgenommen. Desweitern sind sie stark zytotoxisch für eukaryotische Zellen. Außerdem wird vermutet, dass sie sich mittels migrierender Phagozyten dem angeborenen Immunsystem entziehen können. In dieser Studie werden die post-invasiven Ereignisse während einer Staphylokokken Infektion untersucht. Im Detail wurden Stämme identifiziert die aus den Phagosomen entkommen können und die dafür verantwortlichen Toxine. Im Zuge dessen wurden neue Erkenntnisse der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen gewonnen. Eine neue Klasse von kleinen amphiphatischen Peptiden mit starken grenzflächenaktiven Eigenschaften (Surfactant), die sogenannten Phenol soluble modulins (PSMs) im Besonderen PSMα sowie das Leukozidin LukAB, sind am phagosomalen Ausbruch der klinisch relevanten S. aureus Stämmen LAC, MW2 und 6850 in nicht professionellen und professionellen Phagozyten involviert. Hingegen, sind PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin oder Phosphatidylinositol abhängige Phospholipase C nicht am phagosomalen Ausbruch beteiligt. Durch die Hemmung der bakteriellen DNA-abhängigen RNA Polymerase mit Rifampicin wurde der Zeitpunkt für den Ausbruch auf etwa 2,5 Stunden nach der Infektion eingegrenzt. Der phagosomale Ausbruch ist weiterhin für die intrazelluläre Replikation von S. aureus notwendig. Während Stämme, die nicht ausbrechen können in der angesäuerten Vakuole nicht replizieren können, bietet das Zytoplasma ein reichhaltiges Milieu für die Vermehrung. Zudem wird der Pathogen induzierte Zelltod erst nach dem phagosomalen Ausbruch und mit anschließender Vermehrung ermöglicht. Nachgewiesen wurde dies mittels psmα und lukAB defizienten Mutanten welche signifikant weniger zytotoxisch waren als der Wildtyp Stamm. Diese Studie zeigt darüber hinaus, dass der phagosomale Ausbruch nicht nur durch bakterielle Toxine vermittelt wird. Sondern, dass die Phagozyten-spezifischen Rezeptoren für beide relevanten Toxine, FPR2 (PSMα Rezeptor) und CD11b (LukAB Rezeptor), in Epithel- und Endothelzellen nach Infektion mit S. aureus calciumabhängig produziert werden und für den Ausbruch notwendig sind. Der knockdown beider Rezeptoren mittels siRNA verhindert den Ausbruch. Wird der intrazelluläre Calciumstrom mittels des Inositoltrisphosphat Rezeptor (IP3R) Inhibitor 2-APB blockiert können die Gene fpr2 und cd11b nicht hochreguliert werden und der Ausbruch wird ebenfalls verhindert. Folglich zeigt diese Studie, dass der phagosomale Ausbruch und Pathogen induzierte Zelltod sowohl durch bakterielle Toxine als auch Wirtsfaktoren vermittelt wird. / Staphylococcus aureus ist ein fakultativ Gram-positives Humanpathogen, dass verschiedene schwerwiegende Infektionen verursachen kann. Staphylokokken werden von professionellen und nicht-professionellen Phagozyten (Fresszellen) zu gleich aufgenommen. Desweitern sind sie stark zytotoxisch für eukaryotische Zellen. Außerdem wird vermutet, dass sie sich mittels migrierender Phagozyten dem angeborenen Immunsystem entziehen können. In dieser Studie werden die post-invasiven Ereignisse während einer Staphylokokken Infektion untersucht. Im Detail wurden Stämme identifiziert die aus den Phagosomen entkommen können und die dafür verantwortlichen Toxine. Im Zuge dessen wurden neue Erkenntnisse der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen gewonnen. Eine neue Klasse von kleinen amphiphatischen Peptiden mit starken grenzflächenaktiven Eigenschaften (Surfactant), die sogenannten Phenol soluble modulins (PSMs) im Besonderen PSMα sowie das Leukozidin LukAB, sind am phagosomalen Ausbruch der klinisch relevanten S. aureus Stämmen LAC, MW2 und 6850 in nicht professionellen und professionellen Phagozyten involviert. Hingegen, sind PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin oder Phosphatidylinositol abhängige Phospholipase C nicht am phagosomalen Ausbruch beteiligt. Durch die Hemmung der bakteriellen DNA-abhängigen RNA Polymerase mit Rifampicin wurde der Zeitpunkt für den Ausbruch auf etwa 2,5 Stunden nach der Infektion eingegrenzt. Der phagosomale Ausbruch ist weiterhin für die intrazelluläre Replikation von S. aureus notwendig. Während Stämme, die nicht ausbrechen können in der angesäuerten Vakuole nicht replizieren können, bietet das Zytoplasma ein reichhaltiges Milieu für die Vermehrung. Zudem wird der Pathogen induzierte Zelltod erst nach dem phagosomalen Ausbruch und mit anschließender Vermehrung ermöglicht. Nachgewiesen wurde dies mittels psmα und lukAB defizienten Mutanten welche signifikant weniger zytotoxisch waren als der Wildtyp Stamm. Diese Studie zeigt darüber hinaus, dass der phagosomale Ausbruch nicht nur durch bakterielle Toxine vermittelt wird. Sondern, dass die Phagozyten-spezifischen Rezeptoren für beide relevanten Toxine, FPR2 (PSMα Rezeptor) und CD11b (LukAB Rezeptor), in Epithel- und Endothelzellen nach Infektion mit S. aureus calciumabhängig produziert werden und für den Ausbruch notwendig sind. Der knockdown beider Rezeptoren mittels siRNA verhindert den Ausbruch. Wird der intrazelluläre Calciumstrom mittels des Inositoltrisphosphat Rezeptor (IP3R) Inhibitor 2-APB blockiert können die Gene fpr2 und cd11b nicht hochreguliert werden und der Ausbruch wird ebenfalls verhindert. Folglich zeigt diese Studie, dass der phagosomale Ausbruch und Pathogen induzierte Zelltod sowohl durch bakterielle Toxine als auch Wirtsfaktoren vermittelt wird.

Universiẗat, Diss., 2002--Mainz.

Staphylococcus aureus is a Gram-positive commensal bacterium, that asymptomatically colonizes human skin and mucosal surfaces. Upon opportune conditions, such as immunodeficiency or breached barriers of the host, it can cause a plethora of infections ranging from local, superficial infections to life-threatening diseases. Despite being regarded as an extracellular pathogen, S. aureus can invade and survive within non-phagocytic and phagocytic cells. Eventually, the pathogen escapes from the host cell resulting in killing of the host cell, which is associated with tissue destruction and spread of infection. However, the exact molecular mechanisms underlying S. aureus-induced host cell death remain to be elucidated. In the present work, a genome-wide haploid genetic screen was performed to identify host cell genes crucial for S. aureus intracellular cytotoxicity. A mutant library of the haploid cell line HAP1 was infected with the pathogen and cells surviving the infection were selected. Twelve genes were identified, which were significantly enriched when compared to an infection with a non-cytotoxic S. aureus strain. Additionally, characteristics of regulated cell death pathways and the role of Ca2+ signaling in S. aureus-infected cells were investigated. Live cell imaging of Ca2+ reporter cell lines was used to analyze single cells. S. aureus-induced host cell death exhibited morphological features of apoptosis and activation of caspases was detected. Cellular H2O2 levels were elevated during S. aureus intracellular infection. Further, intracellular S. aureus provoked cytosolic Ca2+ overload in epithelial cells. This resulted from Ca2+ release from endoplasmic reticulum and Ca2+ influx via the plasma membrane and led to mitochondrial Ca2+ overload. The final step of S. aureus-induced cell death was plasma membrane permeabilization, a typical feature of necrotic cell death. In order to identify bacterial virulence factors implicated in S. aureus-induced host cell killing, the cytotoxicity of selected mutants was investigated. Intracellular S. aureus employs the bacterial cysteine protease staphopain A to activate an apoptosis-like cell death characterized by cell contraction and membrane bleb formation. Phagosomal escape represents a prerequisite staphopain A-induced cell death, whereas bacterial intracellular replication is dispensable. Moreover, staphopain A contributed to efficient colonization of the lung in a murine pneumonia model. In conclusion, this work identified at least two independent cell death pathways activated by intracellular S. aureus. While initially staphopain A mediates S. aureus-induced host cell killing, cytosolic Ca2+-overload follows later and leads to the final demise of the host cell. / Staphylococcus aureus ist ein Gram-positives, kommensales Bakterium, welches menschliche Haut- und Schleimhautoberflächen asymptomatisch kolonisiert. Unter günstigen Bedingungen, wie z. B. Immunschwäche oder verletzten Barrieren des Wirtes, kann es eine Vielzahl von Infektionen verursachen, die von lokalen, oberflächlichen Infektionen bis hin zu lebensbedrohlichen Krankheiten reichen. Obwohl S. aureus als extrazellulärer Erreger angesehen wird, kann das Bakterium von nicht-phagozytischen und phagozytischen Zellen aufgenommen werden und dort überleben. Schließlich bricht das Pathogen aus der Wirtszelle aus und die damit einhergehende Tötung der Wirtszelle wird mit Gewebezerstörung und Ausbreitung der Infektion in Verbindung gebracht. Die genauen molekularen Mechanismen, die dem S. aureus induzierten Wirtszelltod zugrunde liegen, müssen jedoch noch geklärt werden. In dieser Arbeit wurde ein genomweiter haploid genetischer Screen durchgeführt, um Wirtszellgene zu identifizieren, die für die intrazelluläre Zytotoxizität von S. aureus entscheidend sind. Eine Mutantenbibliothek der haploiden Zelllinie HAP1 wurde mit dem Erreger infiziert und die Zellen, die die Infektion überlebten, wurden selektiert. Dabei wurden zwölf Gene identifiziert, die signifikant angereichert waren gegenüber einer Infektion mit einem nicht-zytotoxischen S. aureus Stamm. Des Weiteren wurden Eigenschaften regulierter Zelltod-Signalwege und die Rolle der Ca2+-Signalübertragung in S. aureus infizierten Zellen untersucht. Lebendzellbildgebung von Ca2+-Reporterzelllinien wurde zur Analyse von einzelnen Zellen eingesetzt. Der S. aureus induzierte Wirtszelltod wies morphologische Merkmale von Apoptose auf und die Aktivierung von Caspasen wurde nachgewiesen. Der zelluläre H2O2-Spiegel wurde durch die intrazelluläre Infektion mit S. aureus erhöht. Zusätzlich rief der intrazelluläre S. aureus eine zytosolische Ca2+-Überbelastung in Epithelzellen hervor. Dies resultierte aus der Ca2+-Freisetzung vom endoplasmatischen Retikulum und dem Einstrom von Ca2+ über die Plasmamembran und führte zu einer mitochondrialen Ca2+-Überbelastung. Der finale Schritt des durch S. aureus induzierten Zelltods war die Permeabilisierung der Plasmamembran, ein typisches Merkmal des nekrotischen Zelltods. Um bakterielle Virulenzfaktoren zu identifizieren, die am S. aureus-induzierten Wirtszelltod beteiligt sind, wurde die Zytotoxizität von ausgewählten Mutanten untersucht. Der intrazelluläre S. aureus nutzt die bakterielle Cysteinprotease Staphopain A, um einen Apoptose-artigen Zelltod zu aktivieren, der durch Zellkontraktion und Blasenbildung der Membran gekennzeichnet ist. Der phagosomale Ausbruch stellt eine Voraussetzung für den Staphopain A-induzierten Zelltod da, während die intrazelluläre Replikation der Bakterien nicht notwendig ist. Darüber hinaus trug Staphopain A zu einer effizienten Kolonisation der Lunge in einem murinen Pneumonie-Modell bei. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit mindestens zwei unabhängige Zelltod-Signalwege identifiziert hat, die durch den intrazellulären S. aureus aktiviert werden. Während zunächst Staphopain A den Tod der Wirtszelle einleitet, folgt später die zytosolische Ca2+-Überlastung und führt zum endgültigen Untergang der Wirtszelle.

Sphingobasen bilden das Grundgerüst und die Ausgangsbausteine für die Biosynthese von Sphingolipiden. Während komplexere Sphingolipide einen wichtigen Bestandteil von eukaryotischen Membranen bilden, sind Sphingobasen, die auch als long-chain bases (LCBs) bezeichnet werden, als Signalmoleküle bei zellulären Prozessen in Eukaryoten bekannt. Im tierischen System wurden antagonistische Effekte von nicht-phosphorylierten Sphingobasen (LCBs) und ihren phosphorylierten Gegenstücken (LCB-Ps) bei vielen Zellfunktionen, insbesondere der Apoptose, nachgewiesen und die zugrundeliegenden Signalwege umfassend aufgeklärt. Im Gegensatz dazu sind in Pflanzen weniger Belege für einen antagonistischen Effekt und mögliche Signaltransduktionsmechanismen bekannt. Für eine regulatorische Funktion von Sphingobasen beim programmierten Zelltod (PCD) in Pflanzen existieren mehrere Hinweise: (I) Mutationen in Genen, die den Sphingobasen-Metabolismus betreffen, führen zum Teil zu spontanem PCD und veränderten Zelltodreaktionen. (II) Die Gehalte von LCBs sind bei verschiedenen Zelltod-auslösenden Bedingungen erhöht. (III) Nekrotrophe Pathogene produzieren Toxine, wie Fumonisin B1 (FB1), die mit dem Sphingolipid-Metabolismus der Wirtspflanze interferieren, was wiederum die Ursache für den dadurch ausgelösten PCD darstellt. (IV) Die Behandlung von Pflanzen mit LCBs, nicht aber mit LCB-Ps, führt zu Zelltod. In dieser Arbeit wurde die Rolle von Sphingobasen in der pflanzlichen Zelltodreaktion untersucht, wobei der Fokus auf der Überprüfung der Hypothese eines antagonistischen, Zelltod-hemmenden Effekts von LCB-Ps lag. Anhand von Leitfähigkeit-basierten Messungen bei Blattscheiben von Arabidopsis thaliana wurde der durch Behandlung mit LCBs und separater oder gleichzeitiger Zugabe von LCB-Ps auftretende Zelltod bestimmt. Mit dieser Art der Quantifizierung wurde der an anderer Stelle publizierte inhibierende Effekt von LCB-Ps auf den LCB-induzierten Zelltod nachgewiesen. Durch parallele Messung der Spiegel der applizierten Sphingobasen im Gewebe mittels HPLC-MS/MS konnte dieser Antagonismus allerdings auf eine reduzierte Aufnahme der LCB bei Anwesenheit der LCB-P zurückgeführt werden, was auch durch eine zeitlich getrennte Behandlung mit den Sphingobasen bestätigt wurde. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer exogenen Zugabe von LCBs und LCB-Ps auf den durch Pseudomonas syringae induzierten Zelltod von A. thaliana untersucht. Für LCB-Ps wurde dabei kein Zelltod-hemmender Effekt beobachtet, ebenso wenig wie ein Einfluss von LCB-Ps auf den PCD, der durch rekombinante Expression und Erkennung eines Avirulenzproteins in Arabidopsis ausgelöst wurde. Für LCBs wurde dagegen eine direkte antibakterielle Wirkung im Zuge der Experimente mit P. syringae gezeigt, die den in einer anderen Publikation beschriebenen inhibierenden Effekt von LCBs auf den Pathogen-induzierten Zelltod in Pflanzen relativiert. In weiteren Ansätzen wurden Arabidopsis-Mutanten von Enzymen des Sphingobasen-Metabolismus (LCB-Kinase, LCB-P-Phosphatase, LCB-P-Lyase) hinsichtlich veränderter in-situ-Spiegel von LCBs/LCB-Ps funktionell charakterisiert. Der Phänotyp der Mutanten gegenüber Fumonisin B1 wurde zum einen anhand eines Wachstumstests mit Keimlingen und zum anderen anhand des Zelltods von Blattscheiben bestimmt und die dabei akkumulierenden Sphingobasen quantifiziert. Die Sensitivität der verschiedenen Linien gegenüber FB1 korrelierte eng mit den Spiegeln der LCBs, während hohe Gehalte von LCB-Ps alleine nicht in der Lage waren den Zelltod zu verringern. In einzelnen Mutanten konnte sogar eine Korrelation von stark erhöhten LCB-P-Spiegeln mit einer besonderen Sensitivität gegenüber FB1 festgestellt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit stellen die Hypothese eines antagonistischen Effekts von phosphorylierten Sphingobasen beim pflanzlichen Zelltod in Frage. Stattdessen konnte in detaillierten Analysen der Sphingobasen-Spiegel die positive Korrelation der Gehalte von LCBs mit dem Zelltod gezeigt werden. Die hier durchgeführten Experimente liefern damit nicht nur weitere Belege für die Zelltod-fördernde Wirkung von nicht-phosphorylierten Sphingobasen, sondern tragen zum Verständnis der Sphingobasen-Homöostase und des Sphingobasen-induzierten PCD in Pflanzen bei. / Sphingobases are the building blocks for the biosynthesis of sphingolipids. While complex sphingolipids form a major part of eukaryotic membranes, sphingobases, which are also called long-chain bases (LCBs), are well-known signaling molecules of cellular processes in eukaryotes. In the animal system, antagonistic effects of nonphosphorylated sphingobases (LCBs) and their phosphorylated counterparts (LCB-Ps) have been reported in many cell functions, with a particular focus on apoptosis, and the underlying signaling pathways have been elucidated in detail. In contrast, few records of an antagonistic effect and the potential signal transduction mechanisms have been established in plants. Several lines of evidence point to a regulatory function of sphingobases in plant programmed cell death (PCD): (i) Mutations in genes related to sphingobase metabolism may cause spontaneous PCD and altered cell death reactions. (ii) Levels of LCBs are increased under different cell death conditions. (iii) Necrotrophic pathogens produce toxins, like fumonisin B1 (FB1), interfering with sphingolipid metabolism of the host plant and, thus, causing PCD. (iv) Treatment of plants with LCBs, but not LCB-Ps, induces cell death. In the present study the role of sphingobases in plant cell death reactions, with a focus on the examination of the hypothesis of an antagonistic cell death-inhibitory effect of LCB-Ps, has been investigated. Using conductivity-based measurements of Arabidopsis thaliana leaf discs, cell death induced by treatment with LCBs and separated or combined feeding of LCB-Ps was determined. That kind of quantification allowed the verification of an inhibitory effect of LCB-Ps on LCB-induced cell death, which was published elsewhere. However, by simultaneous measurement of the applied sphingobase levels in the tissue with HPLC-MS/MS, this antagonism could be explained by a reduced uptake of the LCB in the presence of the LCB-P, which was also confirmed by a separated treatment with the sphingobases. In addition to that an impact of exogenous applied LCBs and LCB-Ps on cell death in A. thaliana induced by Pseudomonas syringae has been investigated. For LCB-Ps no cell death inhibitory effect was observed. Similarly, there was no impact for LCB-Ps on the cell death induced by recombinant expression of an avirulence protein in Arabidopsis. For LCBs, a direct antibacterial effect against P. syringae was shown in this work. This puts previous findings of an inhibitory effect of LCBs on pathogen-induced cell death in plants into a new perspective. In further approaches, Arabidopsis mutants of enzymes of the sphingobase metabolism (LCB kinase, LCB-P phosphatase, LCB-P lyase) were functionally characterized with regard to altered in situ levels of LCBs/LCB-Ps. The phenotype of the mutants in response to fumonisin B1 was determined in a growth assay with seedlings, and by cell death measurements in leaf discs, which were accompanied by quantification of sphingobase levels. The sensitivity of different lines to FB1 was closely correlated with the levels of LCBs, while high contents of LCB-Ps alone were not able to reduce cell death. Some mutants even showed a correlation of highly enhanced LCB-P levels with a pronounced sensitivity to FB1. The results of the present study challenge the hypothesis of an antagonistic effect of phosphorylated sphingobases on plant cell death. Instead, a detailed analysis of sphingobase levels revealed a positive correlation of LCB contents with cell death. The conducted experiments not only provide further evidence for a cell death-promoting effect of nonphosphorylated sphingobases, but also contribute to the comprehension of sphingobase homeostasis, as well as of the sphingobase-induced PCD in plants.

München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

Stuttgart, Univ., Diss., 2001.

Stuttgart, Univ., Diss., 2007. / Druckausg. im VDI Verlag, Düsseldorf erschienen.

Würzburg, Univ., Diss., 2001. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2001