Die Rolle der humanen Enzyme Paraoxonase-2 und -3 bei Krebserkrankungen und Pseudomonas-Infektionen

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung molekularer Funktionen humaner Paraoxonase (PON) Enzyme, insbesondere die der Proteine PON2 und PON3 im Hinblick auf medizinisch-relevante Fragestellungen. Zum einen wurde die Rolle von PON3 in der Tumorgenese und zum anderen eine mögliche Schutzfunktion von PON2 und PON3 gegenüber P. aeruginosa Infektionen untersucht. Bereits seit dem Jahr 2000 ist die anti-oxidative Eigenschaft von PON3 bekannt, jedoch war der zugrundeliegende Mechanismus bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PON3 die Superoxid-Entstehung in den Mitochondrien abschwächt, wobei sie ihre anti-oxidative Eigenschaft vermutlich durch eine direkte Coenzym Q10-Interaktion in der inneren mitochondrialen Membran vermittelt. Dies führt zu weniger oxidativen Stress, zur Abschwächung mitochondrial-induzierter apoptotischer Signalwege und zur erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Gleichzeitig wurde demonstriert, dass sich Tumorzellen diese anti-oxidative Eigenschaft zu Nutze machen. PON3 war in zahlreichen Tumorgeweben überexprimiert. Es konnte eine mögliche Funktion von PON3 als Tumormarker und Angriffspunkt in der Krebstherapie aufgezeigt werden. Die hier erlangten Daten liefern wertvolle Hinweise auf die Rolle von PON3 in Krebserkrankungen, welche eine Basis für zukünftige Analysen darstellen, die der Entwicklung neuer Krebstherapien dienen könnten. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung der Enzyme PON2 / PON3 und der für P.aeruginosa essentiellen Virulenzfaktoren Pyocyanin (PCN) und dem Lacton 3OC12. Erstmalig wurde gezeigt, dass PON3 zellschädigende PCN-Effekte abschwächen kann, nämlich die PCN-induzierte Superoxid-Produktion, NF-kB-Aktivierung und IL-8-Sekretion. PON2 schützt in gleicher Weise gegen PCN und hydrolysiert zugleich noch das Lacton 3OC12. Folglich sind PON2 und PON3 wichtige Bestandteile der angeborenen Immunität, werden jedoch durch eine 3OC12-induzierte Ca2+-Mobilisation inaktiviert. Weitere Analysen ergaben, dass die PON2-Inaktivierung wahrscheinlich über einen Ca2+ / Calcineurin / Calmodulin-abhängigen Signalweg erfolgt, welcher eine offenbar regulative Serin311-Dephosphorylierung in PON2 vermittelt. Ähnliches könnte für PON3 gelten und wird derzeit erforscht, da eine Stabilisierung der enzymatischen Aktivitäten von PON2 und PON3 der bakteriellen Virulenz entscheidend entgegen wirken könnte.

The Multiple Signaling Systems Regulating Virulence in Pseudomonas aeruginosa

Cell-to-cell communication is a major process that allows bacteria to sense and coordinately react to the fluctuating conditions of the surrounding environment. In several pathogens, this process triggers the production of virulence factors and/or a switch in bacterial lifestyle that is a major determining factor in the outcome and severity of the infection. Understanding how bacteria control these signaling systems is crucial to the development of novel antimicrobial agents capable of reducing virulence while allowing the immune system of the host to clear bacterial infection, an approach likely to reduce the selective pressures for development of resistance. We provide here an up-to-date overview of the molecular basis and physiological implications of cell-to-cell signaling systems in Gram-negative bacteria, focusing on the well-studied bacterium Pseudomonas aeruginosa. All of the known cell-to-cell signaling systems in this bacterium are described, from the most-studied systems, i.e., N-acyl homoserine lactones (AHLs), the 4-quinolones, the global activator of antibiotic and cyanide synthesis (GAC), the cyclic di-GMP (c-di-GMP) and cyclic AMP (cAMP) systems, and the alarmones guanosine tetraphosphate (ppGpp) and guanosine pentaphosphate (pppGpp), to less-well-studied signaling molecules, including diketopiperazines, fatty acids (diffusible signal factor [DSF]-like factors), pyoverdine, and pyocyanin. This overview clearly illustrates that bacterial communication is far more complex than initially thought and delivers a clear distinction between signals that are quorum sensing dependent and those relying on alternative factors for their production.

Characterization of the amp genes involved in the regulation of beta-lactamase expression in Pseudomonas aeruginosa

Antibiotic resistance, production of alginate and virulence factors, and altered host immune responses are the hallmarks of chronic Pseudomonas aeruginosa infection. Failure of antibiotic therapy has been attributed to the emergence of P. aeruginosa strains that produce β-lactamase constitutively. In Enterobacteriaceae, β-lactamase induction involves four genes with known functions: ampC, ampR, ampD, and ampG, encoding the enzyme, transcriptional regulator, amidase and permease, respectively. In addition to all these amp genes, P. aeruginosa possesses two ampG paralogs, designated ampG and ampP. In this study, P. aeruginosa ampC, ampR, ampG and ampP were analyzed. Inactivation of ampC in the prototypic PAO1 failed to abolish the β-lactamase activity leading to the discovery of P. aeruginosa oxacillinase PoxB. Cloning and expression of poxB in Escherichia coli confers β-lactam resistance. Both AmpC and PoxB contribute to P. aeruginosa resistance against a wide spectrum of β-lactam antibiotics. The expression of PoxB and AmpC is regulated by a LysR-type transcriptional regulator AmpR that up-regulates AmpC but down-regulates PoxB activities. Analyses of P. aeruginosa ampR mutant demonstrate that AmpR is a global regulator that modulates the expressions of Las and Rhl quorum sensing (QS) systems, and the production of pyocyanin, LasA protease and LasB elastase. Introduction of the ampR mutation into an alginate-producing strain reveals the presence of a complex co-regulatory network between antibiotic resistance, QS alginate and other virulence factor production. Using phoA and lacZ protein fusion analyses, AmpR, AmpG and AmpP were localized to the inner membrane with one, 16 and 10 transmembrane helices, respectively. AmpR has a cytoplasmic DNA-binding and a periplasmic substrate binding domains. AmpG and AmpP are essential for the maximal expression of β-lactamase. Analysis of the murein breakdown products suggests that AmpG exports UDP-N-acetylmuramyl-L-alanine-γ-D-glutamate-meso-diaminopimelic acid-D-alanine-D-alanine (UDP-MurNAc-pentapeptide), the corepressor of AmpR, whereas AmpP imports N-acetylglucosaminyl-beta-1,4-anhydro-N-acetylmuramic acid-Ala-γ-D-Glu-meso-diaminopimelic acid (GlcNAc-anhMurNAc-tripeptide) and GlcNAc-anhMurNAc-pentapeptide, the co-inducers of AmpR. This study reveals a complex interaction between the Amp proteins and murein breakdown products involved in P. aeruginosa β-lactamase induction. In summary, this dissertation takes us a little closer to understanding the P. aeruginosa complex co-regulatory mechanism in the development of β-lactam resistance and establishment of chronic infection. ^