Harmful algae and their potential impacts on the coastal ecosystem: growth and toxin production dynamics

The main goal of the present thesis was to study some harmful algal species which cause blooms in Italian coastal waters, leading to consequences for human health, coastal ecosystem, fishery and tourism. In particular, in the first part of this thesis the toxicity of Adriatic strains of the raphidophyte Fibrocapsa japonica was investigated. Despite several hypotheses have been proposed for the toxic mechanism of the raphidophytes, especially for the species Chattonella antiqua and C. marina, which have been studied more extensively, just a few studies on the toxic effects of these species for different organisms were reported. Moreover, a careful reading of the literature evidenced as any ichthyotoxic events reported worldwide can be linked to F. japonica blooms. Although recently several studies were performed on F. japonica strains from the USA, Japan, Australia, New Zealand, the Netherlands, Germany, and France in order to characterize their growth and toxicity features, the work reported in this thesis results one of the first investigation on the toxic effects of F. japonica for different organisms, such as bacteria, crustaceans and fish. Mortality effects, together with haemolysis of fish erythrocytes, probably due to the relatively high amount of PUFAs produced by this species, were observed. Mortality for fish, however, was reported only at a high cell density and after a long exposition period (9-10 days); moreover a significant increase of H2O2 obtained in the tanks where sea basses were exposed to F. japonica was also relevant. This result may justify the absence of ichthyotoxic events in the Italian coasts, despite F. japonica blooms detected in these areas were characterized by high cell densities. This work reports also a first complete characterization of the fatty acids produced and extracellularly released by the Adriatic F. japonica, and results were also compared with the fatty acid profile of other strains. The absence of known brevetoxins in F. japonica algal extracts was also highlighted, leading to the hypothesis that the toxicity of F. japonica may be due to a synergic effect of PUFAs and ROS. Another microalgae that was studied in this thesis is the benthic dinoflagellate Ostreopsis cf. ovata. This species was investigated with the aim to investigate the effect of environmental parameters on its growth and toxicity. O. cf. ovata, in fact, shows different blooming periods along the Italian coasts and even the reported toxic effects are variable. The results of this work confirmed the high variability in the growth dynamic and toxin content of several Italian strains which were isolated in recent years along the Adriatic and Tyrrhenian Seas. Moreover, the effects of temperature and salinity on the behaviour of the different isolates are in good agreement with the results obtained from field surveys, which evidence as the environmental parameters are important factors modulating O. cf. ovata proliferation. Another relevant result that was highlighted is the anomaly in the production of palytoxin-like compounds reported by one of the studied isolate, in particular the one isolated in 2008 in Ancona (Adriatic Sea). Only this strain reported the absence of two (ovatoxin-b and –c) of the five ovatoxins so far known in the toxin profile and a different relative abundance of the other toxins. The last aspect that was studied in this thesis regards the toxin biosythesis. In fact, toxins produced (palytoxin-like compounds) or supposed to be produced (brevetoxin-like compounds) by O. cf. ovata and F. japonica, respectively, are polyketides, which are highly oxygenated compounds synthesized by complex enzymes known as polyketide synthase (PKS) enzymes. These enzymes are multi-domain complexes that structurally and functionally resemble the fatty acid synthases (FASs). This work reports the first study of PKS proteins in the dinoflagellates O. cf. ovata, C. monotis and in the raphidophyte F. japonica. For the first time some PKSs were identified in these species, confirming the presence of PKS proteins predicted by the in silico translation of the transcripts found in K. brevis also in other species. The identification of O. cf. ovata PKSs and the localization of the palytoxin-like compounds produced by this dinoflagellate in a similar location (chloroplast) as that observed for other dinoflagellate and cyanobacterial toxins provides some indication that these proteins may be involved in polyketide biosynthesis. However, their potential function as fatty acid synthases cannot be ruled out, as plant fatty acid synthesis also occurs within chloroplasts. This last hypothesis is also supported by the fact that in all the investigated species, and in particular in F. japonica, PKS proteins were present. Therefore, these results provide an important contribution to the study of the polyketides and of the involvement of PKS proteins in the toxin biosynthesis.

Study of Italian isolates of Alternaria spp.: molecular and morphological characterization and pathogenesis on apple tree

It was decided to carry out a morphological and molecular characterization of the Italian Alternaria isolatescollected from apple , and evaluate their pathogenicity and subsequently combining the data collected. The strain collection (174 isolates) was constructed by collecting material (received from extension service personnel) between June and August of 2007, 2008, and 2009. A Preliminary bioassays were performed on detached plant materials (fruit and leaf wounded and unwounded), belonging to the Golden cultivar, with two different kind of inoculation (conidial suspension and conidial filtrate). Symptoms were monitored daily and a value of pathogenicity score (P.S.) was assigned on the basis of the diameter of the necrotic area that developed. On the basis of the bioassays, the number of isolates to undergo further molecular analysis was restricted to a representative set of single spore strains (44 strains). Morphological characteristics of the colony and sporulation pattern were determined according to previous systematic work on small-spored Alternaria spp. (Pryor and Michaelides, 2002 and Hong et al., 2006). Reference strains (Alternaria alternata, Alternaria tenuissima, Alternaria arborescens and four Japanese strains of Alternaria alternata mali pathotype), used in the study were kindly provided by Prof. Barry Pryor, who allows a open access to his own fungal collection. Molecular characterization was performed combining and comparing different data sets obtained from distinct molecular approach: 1) investigation of specific loci and 2) fingerprinting based on diverse randomly selected polymorphic sites of the genome. As concern the single locus analysis, it was chosen to sequence the EndoPG partial gene and three anonymous region (OPA1-3, OPA2- and OPa10-2). These markers has revealed a powerful tool in the latter systematic works on small-spored Alternaria spp. In fact, as reported in literature small-spored Alternaria taxonomy is complicated due to the inability to resolve evolutionary relationships among the taxa because of the lack of variability in the markers commonly used in fungi systematic. The three data set together provided the necessary variation to establish the phylogenetic relationships among the Italian isolates of Alternaria spp. On Italian strains these markers showed a variable number of informative sites (ranging from 7 for EndoPg to 85 for OPA1-3) and the parsimony analysis produced different tree topologies all concordant to define A. arborescens as a mophyletic clade. Fingerprinting analysis (nine ISSR primers and eight AFLP primers combination) led to the same result: a monophyleic A. arborescens clade and one clade containing both A. tenuissima and the A. alternata strains. This first attempt to characterize Italian Alternaria species recovered from apple produced concordant results with what was already described in a similar phylogenetic study on pistachio (Pryor and Michaelides, 2002), on walnut and hazelnut (Hong et al., 2006), apple (Kang et al., 2002) and citurus (Peever et al., 2004). Together with these studies, this research demonstrates that the three morphological groups are widely distributed and occupy similar ecological niches. Furthermore, this research suggest that these Alternaria species exhibit a similar infection pattern despite the taxonomic and pathogenic differences. The molecular characterization of the pathogens is a fundamental step to understanding the disease that is spreading in the apple orchards of the north Italy. At the beginning the causal agent was considered as Alteraria alternata (Marshall and Bertagnoll, 2006). Their preliminary studies purposed a pathogenic system related to the synthesis of toxins. Experimental data of our bioassays suggest an analogous hypothesis, considering that symptoms could be induced after inoculating plant material with solely the filtrate from pathogenic strains. Moreover, positive PCR reactions using AM-toxin gene specific primers, designed for identification of apple infecting Alternaria pathovar, led to a hypothesis that a host specific toxin (toxins) were involved. It remains an intriguing challenge to discover or not if the agent of the “Italian disease” is the same of the one previously typified as Alternaria mali, casual agent of the apple blotch disease.

Molecular approach to Neurodegenerative Disorders: Role of Nociceptin/Orphanin FQ - NOP System in Parkinson and Epigenetic Mechanism in Alzheimer's Disease

With life expectancies increasing around the world, populations are getting age and neurodegenerative diseases have become a global issue. For this reason we have focused our attention on the two most important neurodegenerative diseases: Parkinson’s and Alzheimer’s. Parkinson’s disease is a chronic progressive neurodegenerative movement disorder of multi-factorial origin. Environmental toxins as well as agricultural chemicals have been associated with PD. Has been observed that N/OFQ contributes to both neurotoxicity and symptoms associated with PD and that pronociceptin gene expression is up-regulated in rat SN of 6-OHDA and MPP induced experimental parkinsonism. First, we investigated the role of N/OFQ-NOP system in the pathogenesis of PD in an animal model developed using PQ and/or MB. Then we studied Alzheimer's disease. This disorder is defined as a progressive neurologic disease of the brain leading to the irreversible loss of neurons and the loss of intellectual abilities, including memory and reasoning, which become severe enough to impede social or occupational functioning. Effective biomarker tests could prevent such devastating damage occurring. We utilized the peripheral blood cells of AD discordant monozygotic twin in the search of peripheral markers which could reflect the pathology within the brain, and also support the hypothesis that PBMC might be a useful model of epigenetic gene regulation in the brain. We investigated the mRNA levels in several genes involve in AD pathogenesis, as well DNA methylation by MSP Real-Time PCR. Finally by Western Blotting we assess the immunoreactivity levels for histone modifications. Our results support the idea that epigenetic changes assessed in PBMCs can also be useful in neurodegenerative disorders, like AD and PD, enabling identification of new biomarkers in order to develop early diagnostic programs.

Immunoconiugati contenenti tossine vegetali o siRNA per la deplezione selettiva di cellule leucemiche. Preparazione, citotossicità e studi di mutagenesi sito-specifica.

CD33 is a myeloid cell surface marker absent on normal hematopoietic stem cells and normal tissues but present on leukemic blasts in 90% of adult and paediatric acute myeloid leukaemia (AML) cases. By virtue of its expression pattern and its ability to be rapidly internalized after antibody binding, CD33 has become an attractive target for new immunotherapeutic approaches to treat AML. In this study two immunoconjugates were constructed to contain a humanised single-chain fragment variable antibody (scFv) against CD33 in order to create new antibody-derived therapeutics for AML. The first immunoconjugate was developed to provide targeted delivery of siRNAs as death effectors into leukemic cells. To this purpose, a CD33-specific scFv, modified to include a Cys residue at its C-terminal end (scFvCD33-Cys), was coupled through a disulphide bridge to a nona-d-arginine (9R) peptide carrying a free Cys to the N-terminal. The scFvCD33-9R was able to completely bind siRNAs at a protein to nucleic acid ratio of about 10:1, as confirmed by electrophoretic gel mobility-shift assay. The conjugate was unable to efficiently transduce cytotoxic siRNA (siTox) into the human myeloid cell line U937. We observed slight reductions in cell viability, with a reduction of 25% in comparison to the control group only at high concentration of siTox (300 nM). The second immunoconjugate was constructed by coupling the scFvCD33-Cys to the type 1 ribosome inactivating protein Dianthin 30 (DIA30) through a chemical linking The resulting immunotoxin scFvCD33-DIA30 caused the rapid arrest of protein synthesis, inducing apoptosis and leading ultimately to cell death. In vitro dose-dependent cytotoxicity assays demonstrated that scFvCD33-DIA30 was specifically toxic to CD33-positive cell U937. The concentration needed to reach 50 % of maximum killing efficiency (EC50) was approximately 0.3 nM. The pronounced antigen-restricted cytotoxicity of this novel agent makes it a candidate for further evaluation of its therapeutic potential.

Clostridium difficile: Entdeckung und Charakterisierung der autokatalytischen Prozessierung von Toxin B

Clostridium difficile, der Auslöser der nosokomialen Antibiotika-assoziierten Durchfälle und der Pseudomembranösen Kolitis, besitzt zwei Hauptvirulenzfaktoren: die Toxine A und B. In vorangegangenen Veröffentlichungen wurde gezeigt, dass Toxin B durch einen zytosolischen Faktor der eukaryotischen Zielzelle während des Aufnahmeweges in die Zelle gespalten wird. Nur die N-terminale katalytische Domäne erreicht das Zytosol. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass eine Protease der Zielzelle die Spaltung katalysiert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Spaltung von Toxin B ein intramolekularer Prozess ist, der zytosolisches Inositolphosphat der Zielzelle als Kofaktor zur Aktivierung der intrinsischen Protease benötigt. Die Freisetzung der katalytischen Domäne durch Inositolphosphat-induzierte Spaltung ist nicht nur das Prinzip des Clostridium difficile Toxin B sondern auch des Toxin A, als auch des alpha Toxin von Clostridium novyi und das Letale Toxin von Clostridium sordellii. Der kovalente Inhibitor von Aspartatproteasen 1,2-epoxy-3-(p-nitrophenoxy)propan (EPNP), wurde dazu verwendet die intrinsische Protease von Toxin B zu blockieren und ermöglichte die Identifikation des katalytischen Zentrums. EPNP modifiziertes Toxin B verliert die intrinsische Proteaseaktivität und Zytotoxizität, aber wenn es direkt in das Zytosol der Wirtszelle injiziert ist, bleibt die Toxizität erhalten. Diese ist damit der erste Bericht eines bakteriellen Toxins, das eukaryotische Signale zur induzierten Autoproteolyse nutzt, um seine katalytisch-toxische Domäne in das Zytosol der Zielzelle freizusetzen. Durch diese Ergebnisse kann das Modell der Toxin-Prozessierung nun um einen weiteren entscheidenden Schritt vervollständigt werden.

Die Verbindung von Kleinwinkelstreuung und in silico-Methodik zur Aufklärung von Konformationswechseln großer Proteinkomplexe

In dieser Dissertation wurden die Methoden Homologiemodellierung und Molekulardynamik genutzt, um die Struktur und das Verhalten von Proteinen in Lösung zu beschreiben. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung wurden die mit den Computermethoden erzeugten Vorhersagen verifiziert. Für das alpha-Hämolysin, ein Toxin von Staphylococcus aureus, das eine heptamere Pore formen kann, wurde erstmalig die monomere Struktur des Protein in Lösung beschrieben. Homologiemodellierung auf Basis verwandter Proteine, deren monomere Struktur bekannt war, wurde verwendet, um die monomere Struktur des Toxins vorherzusagen. Flexibilität von Strukturelementen in einer Molekulardynamiksimulation konnte mit der Funktionalität des Proteines korreliert werden: Intrinsische Flexibilität versetzt das Protein in die Lage den Konformationswechsel zur Pore nach Assemblierung zu vollziehen. Röntgenkleinwinkelstreuung bewies die Unterschiede der monomeren Struktur zu den Strukturen der verwandten Proteine und belegt den eigenen Vorschlag zur Struktur. Überdies konnten Arbeiten an einer Mutante, die in einer sogenannten Präporenkonformation arretiert und nicht in der Lage ist eine Pore zu formen, zeigen, dass dieser Übergangszustand mit der Rotationsachse senkrecht zur Membran gelagert ist. Eine geometrische Analyse beweist, dass es sterisch möglich ist ausgehend von dieser Konformation die Konformation der Pore zu erreichen. Eine energetische und kinetische Analyse dieses Konformationswechsels steht noch aus. Ein weiterer Teil der Arbeit befasst sich mit den Konformationswechseln von Hämocyaninen. Diese wurden experimentell mittels Röntgenkleinwinkelstreuung verfolgt. Konformationswechsel im Zusammenhang mit der Oxygenierung konnten für die 24meren Hämocyanine von Eurypelma californicum und Pandinus imperator beschrieben werden. Für eine Reihe von Hämocyaninen ist nachgewiesen, dass sie unter Einfluss des Agenz SDS Tyrosinaseaktivität entfalten können. Der Konformationswechsel der Hämocyanine von E. californicum und P. imperator bei der Aktivierung zur Tyrosinase mittels SDS wurde experimentell bestätigt und die Stellung der Dodekamere der Hämocyanine als wesentlich bei der Aktivierung festgestellt. Im Zusammenhang mit anderen Arbeiten gilt damit die Relaxierung der Struktur unter SDS-Einfluss und der sterische Einfluss auf die verbindenden Untereinheiten b & c als wahrscheinliche Ursache für die Aktivierung zur Tyrosinase. Eigene Software zum sogenannten rigid body-Modellierung auf der Basis von Röntgenkleinwinkelstreudaten wurde erstellt, um die Streudaten des hexameren Hämocyanins von Palinurus elephas und Palinurus argus unter Einfluss der Effektoren Urat und Koffein strukturell zu interpretieren. Die Software ist die erste Implementierung eines Monte Carlo-Algorithmus zum rigid body-Modelling. Sie beherrscht zwei Varianten des Algorithmus: In Verbindung mit simulated annealing können wahrscheinliche Konformationen ausgefiltert werden und in einer anschließenden systematischen Analyse kann eine Konformation geometrisch beschrieben werden. Andererseits ist ein weiterer, reiner Monte Carlo-Algorithmus in der Lage die Konformation als Dichteverteilung zu beschreiben.

Escherichia coli alpha-Hämolysin: Untersuchungen zur Struktur und Porenbildung

Escherichia coli α-Hämolysin (HlyA) ist ein Prototyp der RTX-Toxine, die zu den α-porenbildenden Toxinen gehören. HlyA bildet Poren in einer Vielzahl eukaryontischer Zielzellen. Das 107 kDa große Protein besteht aus 1024 Aminosäuren, die gemeinsam mit den Proteinen für posttranslationale Modifikation und Sekretion in einem Operon codiert werden. Die N-terminale Hälfte von HlyA besteht aus mehreren amphipathischen α –Helices, die mit der Porenbildung assoziiert werden, gefolgt von der Calcium-bindenden RTX-Domäne in der C-terminalen Hälfte des Moleküls. Über den porenbildenen Mechanismus ist wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf die Frage, ob dieser Prozess eine Oligomerisierung mehrerer HlyA-Moleküle beinhaltet, oder ob die membranschädigende Struktur von einem Monomer gebildet wird. Drei unabhängige biochemische Methoden wurden in dem Versuch eingesetzt, HlyA-Oligomere in permeabilisierten Membranen zu detektieren. In allen drei Ansätzen wurden negative Ergebnisse erreicht, was das Konzept bestätigt, dass die Pore von HlyA von einem Monomer gebildet wird. PCR-basierte Cysteinsubstitutionen wurden durchgeführt, um den N-terminus von HlyA zu charakterisieren. Einzelne Cysteinreste wurden an 21 Positionen innerhalb der Aminosäuresequenz 13-55 eingeführt, und mit dem umgebungssensitiven Fluorophor Badan markiert. Spektrofluorimetrische Messungen zeigten, dass alle untersuchten Aminosäuren innerhalb dieser Domäne unabhängig von der porenbildenden Aktivität in die Membran inserieren. Deletionen der Aminosäuren 1-50 hatten keinen Einfluß auf die lytische Aktivität, während die Deletion der Aminosäuren 1-100 in einer fast vollständig inaktiven Toxinmutante resultierte. Die Einführung von Prolinen durch PCR-basierte Mutagenese wurde durchgeführt, um die Beteiligung vorhergesagter α-Helices innerhalb der N-terminalen Hälfte von HlyA an der hämolytischen Aktivität zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Struktur von mindestens vier vorhergesagten Helices bedeutend für die hämolytische Aktivität ist.

Untersuchungen zur Struktur und Funktion des Vibrio cholerae Cytolysins

Vibrio cholerae Cytolysin (VCC) gehört zur Gruppe der Exotoxine und bildet auf Membranen heptamere transmembrane Poren. VCC wird als protoxin mit einem Molekulargewicht von 79 kDa sezerniert und benötigt die proteolytische Spaltung der N-terminalen Pro-Region um Poren in der Membran zu bilden. Diese Spaltung erfolgt sowohl in Lösung, als auch nach der Bindung an Membranen, aber nur aktiviertes VCC oligomererisiert in eine lytische Pore. Die Kristallstruktur von VCC zeigt, dass das Monomer vier verschiedenen strukturellen Domänen enthält; die cytolytische Domäne, mit der Pre-Stem-Sequenz, der Pro-Region und den beiden C-terminalen Domänen β-Trefoil und β-Prism. Die porenbildende β-Barrel wird aus je einer Pre-Stem Domäne jedes der einzelnen sieben Untereinheiten gebildet. Da sich die porenbildende Region im Monomer zwischen den Domänen β-Prism und β-Trefoil befindet, sind konformationelle Änderungen des Toxins notwendig, um die Insertion dieser Region in die Membran zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurde unter anderem der Mechanismus der Porenbildung durch die Konstruktion von Disulfid-Derivaten untersucht. Die Bildung von Disulfidbrücken wurde verwendet, um die porenbildende Region entweder mit der β-Trefoil oder β-Prism Domäne zu verknüpfen. Unter nicht-reduzierenden Bedingungen bindet das Toxin an Membranen und oligomerisiert zu SDS-labilen Oligomeren. Nach der Reduktion der künstlichen Disulfidbrücke erlangen die gebildeten Oligomere SDS-Stabilität und permeabilisieren die Membran. Durch die Zugabe steigender Konzentrationen des VCC-Derivats zu aktivem Toxin, wird die SDS-Stabilität der gebildeten Oligomere stark reduziert. Die Insertion des aktiven Toxins in die Membran wird allerdings nicht verhindert und daher Poren mit reduziertem funktionellen Durchmesser gebildet. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Bildung einer Prä-Pore vor der Insertion des Toxins in die Membran erfolgt und zeigt zum ersten Mal ein solches Zwischenstadium für ein β-porenbildendes Toxin, das von Gram-negativen Organismen produziert wird. Diese Ergebnisse deuten auf einen archetypischen Mechanismus der Porenbildung hin. Zusätzlich wurde die Funktion der beiden C-terminalen Domänen untersucht, und daher verschiedene Deletions- und Substitutionsmutanten konstruiert. Die β-Trefoil Domäne ist nicht essentiell für die Bindung des Toxins an Membranen, ist aber für die korrekte Faltung des Toxins notwendig. Die C-terminale β-Prism Domäne vermittelt die Bindung des Toxins an Membranen über Zuckerrezeptoren.

Entwicklung eines Tests zur Ablösung von Tierversuchen beim Nachweis von Pertussis-Toxin

Weltweit existiert keine zum Tierversuch alternative Methode, um adsorbierte Pertussis-Impfstoffe auf restliche Toxin-Aktivität hin zu untersuchen. Der im Europäischen Arzneibuch vorgeschriebene Tierversuch besitzt nach Erfahrungen der Industrie, internationaler Prüfbehörden sowie des Paul-Ehrlich-Institutes eine schlechte Aussagekraft. Er ist wenig standardisierbar und weist häufig ein zweifelhaftes Ergebnis auf, so dass Wiederholungen und damit einhergehend ein hoher Verbrauch an Versuchstieren unumgänglich sind. Enthält der Impfstoff Reste von nicht-inaktiviertem Pertussis-Toxin (PTx), muss mit schweren und schwersten Nebenwirkungen bei den Impflingen gerechnet werden. In dieser Arbeit wurde ein In vitro-Nachweis für aktives PTx entwickelt. rnAngeregt durch Publikationen, wonach Pertussis-Toxin humane Monozyten aktiviert, wurde zunächst versucht, diesen Effekt zum Toxin-Nachweis auszunutzen. Die vorliegende Arbeit zeigt jedoch eindeutig, dass Pertussis-Toxin selbst nicht zur Stimulation humaner Monozyten führt. Vielmehr konnte nachgewiesen werden, dass die Aktivierung dieser Immunzellen auf Kontaminationen durch Lipopolysaccharide zurückzuführen ist. Damit wurden die Aussagen in den oben erwähnten Veröffentlichungen widerlegt. Dieses Ergebnis wurde bereits zur Publikation eingereicht.rnNunmehr wurden verschiedene Ansätze zum Nachweis von Pertussis-Toxin entwickelt, welche seine enzymatischen Aktivitäten als NAD-Glycohydrolase und ADP-Ribosyltransferase ausnutzen. Zunächst wurde versucht, die Hydrolyse von NAD zu ADP-Ribose und Nicotinamid photometrisch nachzuweisen. Wegen unbefriedigender Sensitivität wurde dieses Verfahren zu einem fluorometrischen Nachweis weiterentwickelt. Verwendet wurde hier fluorogenes etheno-NAD, welches von Pertussis-Toxin als Substrat akzeptiert wird. Letzteres Prinzip ist zum In vitro-Nachweis von Pertussis-Toxin geeignet, wird jedoch durch das in Impfstoffen häufig verwendete Adsorbens Aluminiumhydroxid gestört. Deshalb wurde dieser Ansatz aufgegeben und ein neuer Weg verfolgt, welcher am Energiestoffwechsel von humanen Zellen ansetzt. Eine Konsequenz des Angriffs von Pertussis-Toxin auf seine Zielzellen im Respirationstrakt besteht – nach komplexen Reaktionen des Signaltransduktionsweges – im Absenken des ATP-Gehaltes. Als menschliche Surrogat-Zellen wurden frisch isolierte periphere mononukleäre Zellen (PBMCs) sowie die permanente Lymphozyten-Zelllinie Jurkat eingesetzt und deren ATP-Gehalt mittels Luziferin-Luziferase-Lumineszenz gemessen. Der Test wird nicht durch Lipopolysaccharid gestört und auch Aluminiumhydroxid übt erst nach mehreren Stunden Inkubation einen interferierenden Einfluss aus. Ebenso konnte aktives Pertussis-Toxin mit Hilfe kryokonservierter PBMCs detektiert werden, auch in orientierenden Versuchen mit komplexen Impfstoffen. Der Pertussis-ATP-Test kommt der In vivo-Situation in der Zelle sehr nahe, weil beide Untereinheiten des Toxins in einem Test überprüft werden. Demnach soll er Bestandteil einer geplanten internationalen Studie zu alternativen Pertussis-Toxin-Testungen sein.

Biofilm formation by the anaerobic pathogen Clostridium difficile

Clostridium difficile is an obligate anaerobic, Gram-positive, endospore-forming bacterium. Although an opportunistic pathogen, it is one of the important causes of healthcare-associated infections. While toxins TcdA and TcdB are the main virulence factors of C. difficile, the factors or processes involved in gut colonization during infection remain unclear. The biofilm-forming ability of bacterial pathogens has been associated with increased antibiotic resistance and chronic recurrent infections. Little is known about biofilm formation by anaerobic gut species. Biofilm formation by C. difficile could play a role in virulence and persistence of C. difficile, as seen for other intestinal pathogens. We demonstrate that C. difficile clinical strains, 630, and the strain isolated in the outbreak, R20291, form structured biofilms in vitro. Biofilm matrix is made of proteins, DNA and polysaccharide. Strain R20291 accumulates substantially more biofilm. Employing isogenic mutants, we show that virulence-associated proteins, Cwp84, flagella and a putative quorum sensing regulator, LuxS, Spo0A, are required for maximal biofilm formation by C. difficile. Moreover we demonstrate that bacteria in C. difficile biofilms are more resistant to high concentrations of vancomycin, a drug commonly used for treatment of CDI, and that inhibitory and sub-inhibitory concentrations of the same antibiotic induce biofilm formation. Surprisingly, clinical C. difficile strains from the same out-break, but from different origin, show differences in biofilm formation. Genome sequence analysis of these strains showed presence of a single nucleoide polymorphism (SNP) in the anti-σ factor RsbW, which regulates the stress-induced alternative sigma factor B (σB). We further demonstrate that RsbW, a negative regulator of alternative sigma factor B, has a role in biofilm formation and sporulation of C. difficile. Our data suggest that biofilm formation by C. difficile is a complex multifactorial process and may be a crucial mechanism for clostridial persistence in the host.

Untersuchung multimerer Proteinkomplexe mit oberflächenanalytischen und röntgenspektroskopischen Methoden

Zusammenfassung rnrnIn dieser Arbeit wurden Untersuchungen an zwei verschiedenen multimeren Proteinkomplexen durchgeführt: Zum einen am Hämocyanin aus Homarus americanus mittels Röntgen-L-Kantenspektroskopie und zum anderen am α-Toxin aus Staphylococcus aureus, hinsichtlich der Interaktion an speziellen Raft-artigen Membranabschnitten, mittels AFM.rnFür das Hämocyanin aus Homarus americanus konnte ein neuer Aspekt bezüglich der Bindung von Sauerstoff aufgezeigt werden. Ein zuvor nicht in Betracht gezogener und diskutierter Einfluss von Wassermolekülen auf diesen Vorgang konnte mittels der Methode der Röntgen-L-Kantenspektroskopie dargestellt werden. Erstmals war es möglich die beiden verschiedenen Beladungszustände (Oxy-, Deoxy-Zustand) des Hämocyanin mittels dieser Methode in physiologisch ähnlicher Umgebung zu untersuchen. Vergleiche der erhaltenen L-Kanten-Spektren mit denen anorganischer Vergleichslösungen ließen auf eine Interaktion von Wassermolekülen mit den beiden Kupferatomen des aktiven Zentrums schließen. Dadurch wurde erstmals ein möglicher Einfluss des Wassers auf den Oxygenierungsprozess des Hämocyanins auf elektronischer Ebene aufgezeigt. Vergleichende Betrachtungen von Röntgenkristallstrukturen verschiedener Typ-3-Kupferproteine bestätigten, dass auch hier ein Einfluss von Wassermolekülen auf die aktiven Zentren möglich ist. Vorgeschlagen wird dabei, dass an Stelle der Überlappung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den 2p-Orbitalen des Sauerstoffs, wie sie im sauerstoffbeladenen Zustand auftritt, im sauerstoffunbeladenen Zustand eine Wechselwirkung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den LUMOS der Wassermoleküle möglich wird, und ein Elektronen- bzw. Ladungstransfer von den Kupfern auf die Wassermoleküle erfolgen kann. rnAFM-Untersuchungen hinsichtlich der Interaktion des α-Toxins aus Staphylococcus aureus mit oberflächenunterstützten Modellmembranen wiesen darauf hin, dass eine bevorzugte Anbindung und zumindest teilweise Integration der α-Toxine in Raft-artige Membranbereiche stattfindet. Für verschiedene ternäre Lipidsysteme konnten phasenseparierte Modellmembranen abgebildet und die unterschiedlichen Domänenformen zugeordnet werden. Der Anbindungsprozess der Toxine an diese oberflächenunterstützte Modellmembranen erfolgte dann wahrscheinlich vornehmlich an den speziellen Raft-artigen Domänen, wohingegen die Insertion der Poren vorrangig an den Grenzbereichen zwischen den Domänen auftrat. Mögliche Ursache dafür sind die räumlichen Besonderheiten dieser Grenzflächen. Membranen weisen an den Schnittstellen zwischen zwei Domänenformen eine erhöhte Unordnung auf, was sich u.a. in einer geringeren Packungsdichte der Phospholipide und dem erhöhten Freiheitsgrad ihrer Kopfgruppen bemerkbar macht. Außerdem kommt es auf Grund der Interaktion der beteiligten Membranbestandteile Sphingomyelin und Cholesterol untereinander zu einer speziellen Ausrichtung der Phosphocholin-Kopfgruppen und innerhalb der Raft-artigen Domänen zu einer erhöhten Packungsdichte der Phospholipide. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse unterstützten demnach die in der Literatur postulierte Vermutung der bevorzugten Interaktion und Integration der Toxin-Moleküle mit Raft-artigen Membrandomänen. Die Insertion der Pore erfolgt aber wahrscheinlich bevorzugt an den Grenzbereichen zwischen den auftretenden Domänen.rn

Induktion von Pro-Autophagie-Signalen durch einen extra- oder intrazellulären Alpha-Toxin-Angriff

Autophagie ist ein konservierter, kataboler Mechanismus in allen eukaryoten Zellen. Unter anderem wird ihm eine wichtige Rolle als zellautonomer Abwehrmechanismus gegen Mikroorganismen zugeschrieben; von manchen Infektionserregern wird er jedoch unterlaufen oder sogar genutzt. Der stärkste Auslöser der Autophagie ist ein Mangel an Nährstoffen, insbesondere Aminosäuren. Über die Deaktivierung der Kinase mTORC1 und die Phosphorylierung des eukaryoten Translationsinitiationsfaktors eIF2α hemmt die Nährstoffknappheit die Proteinbiosynthese und aktiviert gleichzeitig Autophagie. Wie Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, Autophagie auslösen oder manipulieren, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Modifikationen an Mikroben oder Phagosomen und Adapterproteine, die diese Veränderungen und Komponenten des Autophagieapparates erkennen, scheinen jedenfalls bei der selektiven Erkennung durch die Autophagie-Maschinerie wichtig zu sein. rnIn der vorliegenden Dissertationsarbeit wird die Rolle des membranporenbildenden α-Toxins von Staphylococcus aureus für die Induktion von Autophagie beleuchtet. Zum einen erwies sich die Akkumulation von (EGFP)-LC3(II), einem Marker der Autophagosomen, um intrazelluläre S. aureus als abhängig von α-Toxin. Zweitens, genügt extrazellulär appliziertes α-Toxin um (EGFP)-LC3(II)-positive Endosomen zu induzieren. Während der Angriff aus dem extrazellulären Raum jedoch binnen kurzer Zeit eine fokale Kumulation von phosphoryliertem eIF2α an der Plasmamembran induziert, die an der Internalisierung des Toxins beteiligt ist, findet sich am phagosomalen Kompartiment keine Toxin-abhängige Anhäufung von p-eIF2α oder proximalen Autophagieregulatoren. Dies impliziert, dass Toxin-Angriff auf die Plasmamembran, nicht aber auf das Phagosom, zu einer Reaktion führt, wie sie bei massivem Nährstoffmangel zu beobachten ist. Obwohl keine α-Toxin-abhängige Kumulation von p-eIF2α bei einem Angriff aus dem Phagosom erfolgt, findet sich um α-Toxin-produzierende Bakterien eine massive Kumulation von LC3 und Adapterprotein p62/Sequestosome1. Dies deutet daraufhin, dass der Ort des Angriffs - Plasmamembran oder Phagosom – für den Autophagie-induzierenden Mechanismus wichtig sein könnte. Der unterschiedliche Effekt auf die zellulären Ionenkonzentrationen, den ein Angriff auf die Plasmamembran oder auf ein Phagosom auslösen würde, bietet hierfür eine mögliche Erklärung. Die Aktivierung der Autophagie über Adapterproteine könnte dann als back-up Mechanismus fungieren, der auch dann greift, wenn eine Invasion ohne Schädigung der Plasmamembran erfolgt. Ein cross-talk der beiden Induktionswege ist angesichts der Bedeutung von p62 für die selektive und die Hunger-assoziierte Autophagie gut möglich; sezerniertes Toxin könnte durch die Aktivierung der basalen Autophagie Adapter-basierte Mechanismen verstärken.

Molecular epidemiology of the nasal colonization by methicillin-susceptible Staphylococcus aureus in Swiss children

Nasal carriage of Staphylococcus aureus contributes to an increased risk of developing an infection with the same bacterial strain. Genetic regulatory elements and toxin-expressing genes are virulence factors associated with the pathogenic potential of S. aureus. We undertook an extensive molecular characterization of methicillin-susceptible S. aureus (MSSA) carried by children. MSSA were recovered from the nostrils of children. The presence of Panton-Valentine leukocidin (PVL), exfoliatins A and B (exfoA and exfoB), and the toxic-shock staphylococcal toxin (TSST-1) and agr group typing were determined by quantitative PCR. A multiple-locus variable-number of tandem repeat analysis (MLVA) assay was also performed for genotyping. Five hundred and seventy-two strains of MSSA were analysed. Overall, 30% were positive for toxin-expressing genes: 29% contained one toxin and 1.6% two toxins. The most commonly detected toxin gene was tst, which was present in 145 (25%) strains. The TSST-1 gene was significantly associated with the agr group 3 (OR 56.8, 95% CI 32.0-100.8). MLVA analysis revealed a large diversity of genetic content and no clonal relationship was demonstrated among the analysed MSSA strains. Multilocus sequence typing confirmed this observation of diversity and identified ST45 as a frequent colonizer. This broad diversity in MSSA carriage strains suggests a limited selection pressure in our geographical area.

Plasma membrane repair and cellular damage control: the annexin survival kit

Plasmalemmal injury is a frequent event in the life of a cell. Physical disruption of the plasma membrane is common in cells that operate under conditions of mechanical stress. The permeability barrier can also be breached by chemical means: pathogens gain access to host cells by secreting pore-forming toxins and phospholipases, and the host's own immune system employs pore-forming proteins to eliminate both pathogens and the pathogen-invaded cells. In all cases, the influx of extracellular Ca(2+) is being sensed and interpreted as an "immediate danger" signal. Various Ca(2+)-dependent mechanisms are employed to enable plasma membrane repair. Extensively damaged regions of the plasma membrane can be patched with internal membranes delivered to the cell surface by exocytosis. Nucleated cells are capable of resealing their injured plasmalemma by endocytosis of the permeabilized site. Likewise, the shedding of membrane microparticles is thought to be involved in the physical elimination of pores. Membrane blebbing is a further damage-control mechanism, which is triggered after initial attempts at plasmalemmal resealing have failed. The members of the annexin protein family are ubiquitously expressed and function as intracellular Ca(2+) sensors. Most cells contain multiple annexins, which interact with distinct plasma membrane regions promoting membrane segregation, membrane fusion and--in combination with their individual Ca(2+)-sensitivity--allow spatially confined, graded responses to membrane injury.

TILLING for Mutations in Model Plants and Crops

A growing world population, changing climate and limiting fossil fuels will provide new pressures on human production of food, medicine, fuels and feed stock in the twenty-first century. Enhanced crop production promises to ameliorate these pressures. Crops can be bred for increased yields of calories, starch, nutrients, natural medicinal compounds, and other important products. Enhanced resistance to biotic and abiotic stresses can be introduced, toxins removed, and industrial qualities such as fibre strength and biofuel per mass can be increased. Induced and natural mutations provide a powerful method for the generation of heritable enhanced traits. While mainly exploited in forward, phenotype driven, approaches, the rapid accumulation of plant genomic sequence information and hypotheses regarding gene function allows the use of mutations in reverse genetic approaches to identify lesions in specific target genes. Such gene-driven approaches promise to speed up the process of creating novel phenotypes, and can enable the generation of phenotypes unobtainable by traditional forward methods. TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genome) is a high-throughput and low cost reverse genetic method for the discovery of induced mutations. The method has been modified for the identification of natural nucleotide polymorphisms, a process called Ecotilling. The methods are general and have been applied to many species, including a variety of different crops. In this chapter the current status of the TILLING and Ecotilling methods and provide an overview of progress in applying these methods to different plant species, with a focus on work related to food production for developing nations.