92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
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Faculty / Organisational entity
Die Funktion der c-di-GMP modulierenden Membranproteine NbdA und MucR in Pseudomonas aeruginosa
(2019)
NbdA und MucR sind Multi-Domänenproteine aus Pseudomonas aeruginosa. Beide Proteine besitzen eine ähnliche Domänenorganisation mit einer N-terminalen, membranständigen
MHYT-Domäne sowie einer GGDEF- und einer EAL-Domäne im Cytoplasma. Die
cytosolischen Domänen von MucR sind beide aktiv, während NbdA neben der intakten
EAL-Domäne eine degenerierte GGDEF-Domäne mit dem Motiv AGDEF aufweist. Bioinformatischen
Vorhersagen zufolge soll die MHYT-Domäne eine sensorische Funktion für diatomische Gase wie Stickstoffmonoxid oder Sauerstoff vermitteln. Die phänotypische Charakterisierung der markerlosen PAO1-Deletionsmutanten \(Delta\)nbdA, \(Delta\)mucR und \(Delta\)nbdA \(Delta\)mucR zeigte, dass NbdA und MucR nicht in die NO-induzierte
Dispersion involviert sind. Ebenso konnte in einem neu etablierten heterologen in-vivo-System in E. coli keine NO-sensorische Funktion der Proteine detektiert werden. Im Weiteren wurde festgestellt, dass die MHYT-Domäne keinen ersichtlichen Einfluss auf die
Enzymaktivität von NbdA und MucR unter aeroben Bedingungen hat. Demzufolge fungiert
die Membrandomäne vermutlich weder als Sensor für Sauerstoff, noch für NO. Anhand heterologer Komplementationstests konnte eine PDE-Aktivität des NbdA-Volllängenproteins
nachgewiesen werden. Zudem wurde gezeigt, dass die degenerierte AGDEF-Domäne einen regulatorischen Effekt auf die EAL-Domäne hat, der essentiell für die in-
vivo-Aktivität von NbdA ist. In-vivo-Untersuchungen bestätigten die postulierte DGC-Aktivität von MucR. Weiterhin konnte belegt werden, dass MucR ein bifunktionelles Enzym
ist. Entgegen den Erwartungen scheint es jedoch im Planktonischen als DGC und im
Biofilm als PDE zu fungieren.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Charakterisierung der homologen Überexpression
von nbdA in P. aeruginosa, welche teilweise unerwartete Phänotypen ergab. Anhand
der homologen Überproduktion einer inaktiven NbdA-Variante stellte sich heraus, dass die
Hemmung der Motilität unabhängig von der Aktivität von NbdA auftritt. Massenspektrometrische
Analysen deuteten daraufhin, dass NbdA lokal c-di-GMP hydrolysiert. Diese
Ergebnisse implizieren, dass NbdA eine Trigger-PDE ist, deren primäre Funktion die Regulation
anderer makromolekularer Zielmoleküle ist. In Pseudomonas fluorescens Pf0-1 ist bekannt, dass das NbdA-Homolog Pfl01_1252 mit den Homologen von MucR (Pfl01_2525) und SadC (Pfl01_4451) interagiert. Ergebnisse einer früheren Arbeit lassen eine Interaktion
von NbdA und SadC ebenso in P. aeruginosa vermuten. Daher ist denkbar, dass sich
NbdA im gleichen Netzwerk wie MucR und SadC befindet und deren Aktivität reguliert.
Toxicology, the study of the adverse effects of chemicals and physical agents on living organisms, is a critical process in chemical and drug development. The low throughput, high costs, limited predictivity and ethical concerns related to traditional animal-based toxicity studies render them impractical to assess the growing number and complexity of both existing and new compounds and their formulations. These factors together with the increasing implementation of more demanding regulations, evidence the current need to develop innovative, reliable, cost effective and high throughput toxicological methods.
The use of metabolomics in vitro presents the powerful combination of a human relevant system with a multiparametric approach that allows assessing multiple endpoints in a single biological sample. Applying metabolomics in a cell-based system offers an alternative to both, the ethical concerns and relevance of animal testing and the restraining nature of single endpoint evaluations characteristic of conventional toxicological in vitro assays. However, there are still challenges that hamper the expansion of metabolomics beyond a research tool to a feasible and implementable technology for toxicology assessment.
The aim of this dissertation is to advance the applications of in vitro metabolomics in toxicology by addressing three major challenges that have limited its widespread implementation in the field. In chapter 2 the restrictive high cost and low throughput of in vitro metabolomics was addressed through the development, standardization and proof of concept of a high throughput targeted LC-MS/MS in vitro metabolomics platform for the characterization of hepatotoxicity. In chapter 3, the use of the developed in vitro metabolomics system was expanded beyond hazard identification, to its implementation for deriving dose- and time response metrics that were shown useful for Point of departure (PoD) estimations for human risk assessment. Finally, in chapter 4 in order to increase the reliance and confidence of using in vitro metabolomics data for risk assessment, the human relevance of the metabolomics in vitro assays was attempted to be improved by the implementation and evaluation of in vitro metabolomics in a hiPSCs-derived 3D liver organoid system.
The work developed here demonstrates the suitable of in vitro metabolomics for mechanistic-based hazard identification and risk assessment. By advancing the applications of metabolomics in toxicology, this work has significantly contributed to the aim of toxicology of the 21st century for a human-relevant non-animal toxicological testing, supporting the toxicology task of protecting human health and the environment.
‘Dioxin-like’ (DL) compounds occur ubiquitously in the environment. Toxic responses associated with specific dibenzo-p-dioxins (PCDDs), dibenzofurans (PCDFs), and polychlorinated biphenyls (PCBs) include dermal toxicity, immunotoxicity, liver toxicity, carcinogenicity, as well as adverse effects on reproduction, development, and endocrine functions. Most, if not all of these effects are believed to be due to interaction of these compounds with the aryl hydrocarbon receptor (AhR).
With tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) as representatively most potent congener, a toxic equivalency factor (TEF) concept was employed, in which respective congeners were assigned to a certain TEF-value reflecting the compound’s toxicity relative to TCDD’s.
The EU-project ‘SYSTEQ’ aimed to develop, validate, and implement human systemic TEFs as indicators of toxicity for DL-congeners. Hence, the identification of novel quantifiable biomarkers of exposure was a major objective of the SYSTEQ project.
In order to approach to this objective, a mouse whole genome microarray analysis was applied using a set of seven individual congeners, termed the ‘core congeners’. These core congeners (TCDD, 1-PeCDD, 4-PeCDF, PCB 126, PCB 118, PCB 156, and the non dioxin-like PCB 153), which contribute to approximately 90% of toxic equivalents (TEQs) in the human food chain, were further tested in vivo as well as in vitro. The mouse whole genome microarray revealed a conserved list of differentially regulated genes and pathways associated with ‘dioxin-like’ effects.
A definite data-set of in vitro studies was supposed to function as a fundament for a probable establishment of novel TEFs. Thus, CYP1A induction measured by EROD activity, which represents a sensitive and yet best known marker for dioxin-like effects, was used to estimate potency and efficacy of selected congeners. For this study, primary rat hepatocytes and the rat hepatoma cell line H4IIE were used as well as the core congeners and an additional group of compounds of comparable relevance for the environment: 1,6-HxCDD, 1,4,6-HpCDD, TCDF, 1,4-HxCDF, 1,4,6-HpCDF, PCB 77, and PCB 105.
Besides, a human whole genome microarray experiment was applied in order to gain knowledge with respect to TCDD’s impact towards cells of the immune system. Hence, human primary blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated from individuals and exposed to TCDD or to TCDD in combination with a stimulus (lipopolysaccharide (LPS), or phytohemagglutinin (PHA)). A few members of the AhR-gene batterie were found to be regulated, and minor data with respect to potential TCDD-mediated immunomodulatory effects were given. Still, obtained data in this regard was limited due to great inter-individual differences.
Botrytis cinerea, der Erreger der Graufäule, infiziert hunderte verschiedene Pflanzenspezies und verursacht weltweit enorme landwirtschaftliche Verluste. Dabei tötet er das Wirtsgewebe sehr schnell mithilfe lytischer Enzyme und Nekrose-induzierender Metaboliten und Proteine ab. Das Signal-Mucin Msb2 ist in B. cinerea, wie in anderen pathogenen Pilzen, wichtig für die Oberflächenerkennung, Differenzierung von Appressorien und die Penetration des Pflanzengewebes. Msb2 agiert oberhalb der BMP1 Pathogenitäts-MAPK-Kaskade. In dieser Studie konnte eine direkte Interaktion zwischen Msb2 und BMP1, sowie zwischen den beiden Sensorproteinen Msb2 und Sho1 nachgewiesen werden. Dennoch führte die Deletion von sho1 lediglich zu geringfügigen Defekten im Wachstum, der Hyphendifferenzierung und der Bildung von Infektionsstrukturen. Sho1 zeigte nur einen geringen Einfluss auf die Aktivierung von BMP1. Das Fehlen von Sho1 verursachte keine Virulenzdefekte, während der Doppel-KO von msb2 und sho1 zu einer stärkeren Reduzierung der Läsionsausbreitung im Vergleich zu msb2 Mutanten führte. Es wurden mehrere keimungsregulierte, BMP1 abhängige Gene deletiert und die Mutanten phänotypisch charakterisiert. Keines der Gene für lytische Enzyme oder putative Effektorproteine beeinflusste die Virulenz. Mutanten, denen das für ein Ankyrin-repeat Protein codierende arp1 Gen fehlt, zeigten eine gestörte Oberflächenerkennung, gravierende Wachstumsdefekte und reduzierte Virulenz.
B. cinerea VELVET-Mutanten sind in der lichtabhängigen Differenzierung und der Ausbreitung nekrotischer Läsionen beeinträchtigt. In dieser Arbeit ermöglichte die Charakterisierung mehrerer Mutanten ein besseres Verständnis der molekularen Vorgänge, aufgrund derer der VELVET-Komplex die Entwicklung und Pathogenese in B. cinerea reguliert. Quantitative Vergleiche der in planta Transkriptome und Sekretome führten zur Identifizierung eines für drei VELVET-Mutanten gemeinsamen Sets an herunterregulierten Genen, welche für CAZymes, Proteasen und Virulenz-assoziierte Proteine codieren. Die meisten dieser Gene wurden zusätzlich im Wildtyp während der Infektion verstärkt exprimiert, was zusätzliche Hinweise auf deren Relevanz im Infektionsprozess lieferte. Die drastisch verringerte Expression von Genen für Proteasen konnte mit niedrigerer Proteaseaktivität und der unvollständigen Mazeration des Gewebes an der Infektionsstelle in Verbindung gebracht werden. Der neu etablierte quantitative Sekretom-Vergleich des Wildtyps und der VELVET-Mutanten mithilfe 15N-markierter Proteine korrelierte eindeutig mit den Transkriptomdaten sekretierter Proteine. Damit wurde gezeigt, dass die Abundanz der Proteine maßgeblich von deren mRNA-Level abhängt. Die Unfähigkeit zur Ansäuerung des Wirtsgewebes ist einer der interessantesten phänotypischen Aspekte der VELVET-Mutanten. Während Citrat die dominierende von B. cinerea ausgeschiedene Säure ist, sekretierten VELVET-Mutanten deutlich weniger Citrat. Weder für Oxalat noch für Gluconat konnte eine wichtige Rolle während der Infektion bestätigt werden. Die Läsionsausbreitung der Mutanten wurde sowohl durch Zugabe von Vollmedium, als auch durch künstlich konstant niedrig eingestellte pH-Werte an den Infektionsstellen gefördert, während die Einstellung auf neutrale pH-Werte die Expansion beim B. cinerea Wildtyp stark beeinträchtigte. Damit ist die Ansäuerung in Tomatenblättern ein wichtiger Virulenzmechanismus, der möglicherweise essentiell für die Aktivität der sekretierten Proteine ist.
Überraschenderweise scheint eine Ansäuerung des Gewebes für die erfolgreiche Infektion der Ackerbohne Vicia faba nicht notwendig zu sein. Weder B. cinerea noch der am nächsten verwandte Botrytis fabae, welcher sich als Spezialist auf V. faba aggressiver verhält, zeigten während der erfolgreichen Infektion eine Ansäuerung des Ackerbohnenblattgewebes. B. fabae ist auf wenige Wirtspflanzen der Fabaceae begrenzt. Die Grundlagen der Wirtsspezifität sind bisher unklar. Vergleichende Transkriptom- und Sekretom-Analysen ergaben Hinweise für die molekularen Ursachen der unterschiedlichen Wirtsspektren von B. cinerea und B. fabae. In dieser Arbeit konnte die schlechte Infektion durch B. fabae auf Tomatenblättern mit einer deutlich niedrigeren Proteaseaktivität in Verbindung gebracht werden, während artifiziell konstant niedrige pH-Werte die Läsionsausbreitung kaum förderten. Im Gegensatz zur Infektion von Tomatenblättern wurden jedoch auf V. faba insgesamt deutlich niedrigere Proteaseaktivitäten in den Sekretomen beider Spezies gemessen. Diese Daten weisen darauf hin, dass die beiden Spezies nicht nur generell unterschiedliche Infektionsstrategien anwenden, sondern dass die Virulenzmechanismen zusätzlich vom infizierten Pflanzengewebe abhängig sind.
Das Zwei-Komponenten System CiaRH beeinflusst mit der β-Lactamresistenz, Kompetenz, Autolyse, Bakteriocinproduktion und Virulenz eine Vielzahl an Phänotypen in Streptococcus pneumoniae und ist daher von großer physiologischer Bedeutung. Es setzt sich aus der membrangebundenen Sensorkinase CiaH und dem cytoplasmatisch lokalisierten Response Regulator CiaR zusammen. Das CiaRH System ist unter sehr vielen Wachstumsbedingungen aktiv. CiaH ist allerdings für die Aktivierung von CiaR unter bestimmten Bedingungen verzichtbar. CiaR ist jedoch in seiner phosphorylierten Form aktiv, was die Frage nach einer alternativen Phosphatquelle für CiaR aufwirft. Der sog. Crosstalk durch eine fremde Sensorkinase oder niedermolekulare Phosphodonoren wie Acetylphosphat stellen mögliche Wege zur alternativen Phosphorylierung von CiaR dar.
Um zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden, wurden Gene des Acetylphosphat-Stoffwechsels inaktiviert, was zu einer Änderung der Produktion von Acetylphosphat führen sollte. Anschließende Messungen der zellulären Acetylphosphatmenge und der CiaR-abhängigen Promotoraktivitäten in Abwesenheit der Sensorkinase CiaH zeigten klar, dass mit sinkendem Acetylphosphat auch die CiaR-vermittelte Genexpression reduziert wurde. Diese Korrelation legt den Schluss nahe, dass Acetylphosphat tatsächlich den wesentlichen alternativen Phosphodonor für CiaR darstellt. Allerdings wurden auch Hinweise für geringfügigen Crosstalk durch eine andere Sensorkinase erhalten. Im Zuge dieser Experimente ergab sich weiterhin, dass ein Enzym des Acetylphosphat-Stoffwechsels, die Acetatkinase, eine besondere Rolle bei der alternativen Phosphorylierung von CiaR spielt. Eine Reihe von Befunden legt den Schluss nahe, dass Acetatkinase und CiaR möglicherweise interagieren. Eine solche regulatorische Rolle der Acetatkinase ist bisher nicht beschrieben.
Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die CiaR-Aktivität durch die Bifunktionalität von CiaH auf nahezu konstantem Niveau gehalten wird. Dabei kann wahrscheinlich Acetat, ein exkretiertes Endprodukt des Acetylphosphat-Stoffwechsels, zur Stimulierung der Phosphataseaktivität von CiaH dienen. Dies könnte von physiologischer Bedeutung sein, um eine von Acetylphosphat ausgehende Phosphorylierung von CiaR durch Acetat im Medium durch Dephosphorylierung zu begrenzen. Somit könnten Acetylphosphat und Acetat Gegenspieler zur Regulation der CiaR-Aktivität darstellen.
Ein einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde auf die Auswirkungen von Mutationen in CiaH auf die CiaR-Aktivität eingegangen. Das CiaRH-System wurde als erste Nicht-PBP-Resistenzdeteminante in β-lactamresistenten Labormutanten von S. pneumoniae R6 entdeckt, wobei eine Mutation im Sensorkinasegen ciaH (ciaH306, T230P) eine Erhöhung der CiaR-abhängigen Genexpression vermittelte. Weitere ciaH-Mutationen wurden in anderen spontanresistenten Labormutanten beschrieben. Die Laborallele vermitteln eine Steigerung der CiaR-abhängigen Promotoraktivität zwischen vier- und 26-fach. Phänotypische Folgen sind die Verringerung der β-Lactamsuszeptibilität, der Verlust der Kompetenz und verändertes Wachstum von S. pneumoniae R6.
Im Zuge dieser Arbeit wurden zum ersten Mal veränderte ciaH-Allele in klinischen Pneumokokken-Isolaten identifiziert und charakterisiert. Es zeigte sich eine Verbreitung in Isolaten der Serotypen 6, 7, 9, 19 und 23. Im Gegensatz zu den Laborallelen vermitteln die klinischen Allele eine bis zu dreifache Erhöhung der CiaR-abhängigen Promotoraktivität. Lediglich das Allel ciaHTpVT beeinflusst die Phänotypen β-Lactamresistenz und Kompetenz. Weiterhin erfolgte die Charakterisierung der Kinase- und Phosphataseaktivitäten der klinischen ciaH-Allele. Hierbei zeigten sich Abweichungen der Stärken beider Funktionen, wobei für ciaH306 ein Phosphatasedefekt festgestellt wurde.
Poor posture in childhood and adolescence is held responsible for the occurrence
of associated disorders in adult age. This study aimed to verify whether body
posture in adolescence can be enhanced through the improvement of neuromuscular
performance, attained by means of targeted strength, stretch, and body perception
training, and whether any such improvement might also transition into adulthood. From
a total of 84 volunteers, the posture development of 67 adolescents was checked
annually between the age of 14 and 20 based on index values in three posture
situations. 28 adolescents exercised twice a week for about 2 h up to the age of 18, 24
adolescents exercised continually up to the age of 20. Both groups practiced other
additional sports for about 1.8 h/week. Fifteen persons served as a non-exercising
control group, practicing optional sports of about 1.8 h/week until the age of 18,
after that for 0.9 h/week. Group allocation was not random, but depended on the
participants’ choice. A linear mixed model was used to analyze the development
of posture indexes among the groups and over time and the possible influence of
anthropometric parameters (weight, size), of optional athletic activity and of sedentary
behavior. The post hoc pairwise comparison was performed applying the Scheffé test.
The significance level was set at 0.05. The group that exercised continually (TR20)
exhibited a significant posture parameter improvement in all posture situations from
the 2nd year of exercising on. The group that terminated their training when reaching
adulthood (TR18) retained some improvements, such as conscious straightening of the
body posture. In other posture situations (habitual, closed eyes), their posture results
declined again from age 18. The effect sizes determined were between Eta² = 0.12 and
Eta² = 0.19 and represent moderate to strong effects. The control group did not exhibit
any differences. Anthropometric parameters, additional athletic activities and sedentary
behavior did not influence the posture parameters significantly. An additional athletic
training of 2 h per week including elements for improved body perception seems to
have the potential to improve body posture in symptom free male adolescents and
young adults.
Schon bei seiner Entdeckung konnte eine Verbindung des Zwei-Komponenten Systems CiaRH mit der natürlichen Kompetenzentwicklung und der β-Laktamresistenz in S. pneumoniae beobachtet werden. Mutationen in der Histidinkinase CiaH bewirken eine sogenannte Hyperaktivierung dieses Systems, welche zu einem vollständigen Verlust der Kompetenz und einem Anstieg der β-Laktamresistenz führen. Der über das CiaRH System vermittelte Kompetenzphänotyp ist dabei abhängig von der Serinprotease HtrA und den csRNAs. Die Serinprotease HtrA reduziert hierbei, durch Proteolyse, die Menge des Kompetenz spezifische Peptid CSP.
In dieser Arbeit konnte nun erstmals gezeigt werden, dass die csRNAs ihre negative Wirkung auf die Kompetenz ausüben, indem sie comC post-transkriptionell reprimieren. Wahrscheinlich wird hierbei die Initiation der Transaltion inhibiert, wobei die Stabilität der mRNA zusätzlich verringert werden könnte. ComC kodiert für das CSP Vorläuferpeptid. Daher üben die csRNAs noch vor der proteolytischen Wirkung von HtrA einen negativen Effekt auf die CSP Produktion aus. Anhand von comC-Translationsfusionen in S. pneumoniae Stämmen mit und ohne csRNAs, sowie in dem Stamm mit hyperaktivem ciaH202-Allel konnte eindeutig gezeigt werden, dass die csRNAs negativ auf die comC-Translation wirken.
Mittels weiterer comC-Translationsfusionen, in Stämmen mit einzelnen csRNAs, ließ sich eine additive Wirkung der einzelnen csRNAs auf die comC-Translation nachweisen. Das bedeutet, dass eine csRNA alleine nicht in der Lage ist die Kompetenz zu reprimieren. Eine Kombination aus csRNA1, csRNA2 und csRNA3 allerdings ist sogar ohne die Anwesenheit von HtrA in der Lage, die Kompetenzentwicklung vollständig zu unterdrücken.
Der Effekt der csRNAs auf die comC-Translation hat Auswirkungen auf die sich entwickelnde Kompetenz, was anhand von β-Galaktosidasemessungen des frühen Kompetenzpromotors PcomX gezeigt wurde. Hier konnte allerdings ein stark positiver Effekt der csRNA4 und csRNA5 auf diesen Promotor beobachtet werden. Weitere Versuche zeigten, dass dieser Effekt auch auf den frühen Kompetenzpromotor PcomC, aber nicht auf den späten Kompetenzpromotor Pcib zu beobachten ist.
Hierbei scheint es sich um einen Regulationsmechanismus der csRNAs zu handeln, welcher die CSP-Produktion erhöht, ohne die Expression der Gene, die für die DNA Aufnahme und den Einbau verantwortlich sind, zu verändern. Der einerseits negative Effekt aller csRNAs auf die comC-Translation und andererseits positive Effekt der csRNA4 und csRNA5 sprechen dafür, dass die csRNAs an der Feinabstimmung der Kompetenzentwicklung beteiligt sind. Tatsächlich lassen sich Unterschiede im Zeitverlauf der Stämme mit einzelnen csRNAs erkennen. Vor allem kann ein Kompetenzpeak, wie im Wildtyp beobachtet, nicht mehr im csRNA-Deletionsstamm nachgewiesen werden.
Die csRNAs scheinen die Kompetenzentwicklung bis zu einem gewissen Grad zu reprimieren. Ist aber der Schwellenwert überschritten, wirkt ein Teil positiv und trägt somit dazu bei, dass die Kompetenzentwicklung ohne Einschränkungen abläuft.
Des Weiteren konnten, durch gezielte Mutationen in der comC mRNA, Bereiche in dieser identifiziert werden, welche für die Bindung der csRNAs an die mRNA essentiell sind. Hierzu gehört zum einen der Bereich zwischen der Shine-Dalgarno Sequenz und dem Startkodon sowie der Bereich direkt nach dem Startkodon AUG. Zum anderen gibt es Hinweise darauf, dass Mutationen, welche die Stabilität der mRNA beeinflussen könnten, die Regulation durch die csRNAs aufheben.
Anhand einer komplementären Veränderung der csRNA4 konnte der negative Effekt dieser csRNA auf die Translation der veränderten comC mRNA wieder hergestellt werden.
Die hier erbrachten Ergebnisse konnten einen weiteren kompetenzregulierenden Faktor identifizieren. Außerdem ergaben sich einige Hinweise, die dazu beitragen können, in weiteren Studien die komplexe Regulation der Kompetenzentwicklung besser zu verstehen.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem, ebenfalls schon bei der Entdeckung des CiaRH Systems beschriebenen, Anstieg der β-Laktamresistenz. Für diesen, durch ein hyperaktives CiaRH System vermittelten Anstieg konnte, wie schon bei der Kompetenz, ein wesentlicher Effekt der csRNAs nachgewiesen werden. Eine Deletion aller csRNAs in einem Stamm mit hyperaktivem CiaRH System bewirkt einen Zusammenbruch der Resistenz auf Wildtyp Niveau. Im Gegensatz zur Kompetenz konnte hier aber kein deutlicher Effekt der Serinprotease HtrA beobachtet werden.
Wie schon bei der Kompetenz lag das Augenmerk dieser Arbeit auf dem Effekt der einzelnen csRNAs auf den Anstieg der β-Laktamresistenz. Hier konnte eine größtenteils additive Wirkung der csRNAs nachgewiesen werden. Allerdings wurden Stämme isoliert, in welchen die β-Laktamresistenz um das 10-fache im Vergleich zu dem Stamm mit hyperaktivem CiaRH System anstieg. Hierbei handelt es sich um Stämme, die csRNA4 oder csRNA5 enthalten. Da eine starke Instabilität in diesen Stämmen zu beobachten war, ist davon auszugehen, dass es hier zu Zusatzmutationen kam, welche den Resistenzanstieg bewirken. Allerdings konnte nachgewiesen werden, dass der beobachtete Resistenzanstieg nur im Zusammenhang mit csRNA4 vermittelt wird. Falls es hier zu Zusatzmutationen im Genom kam, wäre deren vermittelter Resistenzanstieg von csRNA4 abhängig.
Da im Falle der β-Laktamresistenz die computerbasierte Zielgensuche keinen geeigneten Kandidaten erbrachte und keines der bekannten csRNA regulierten Gene die Resistenz beeinflusst, wurde hier eine globale Transkriptomanalyse zur Zielgensuche durchgeführt.
Anhand dieser globalen Transkriptomanalyse konnten zwei neue potenzielle CiaR regulierte Gene, pavB und spr0091, identifiziert werden.
Des Weiteren konnten zwei Gene, spr0264 und oxlT, identifiziert werden, deren Translation negativ durch die csRNAs reguliert wird. Hier konnte gezeigt werden, dass der UTP Metabolismus der Zelle betroffen ist. Hierrüber könnte die Menge an UDP verändert werden, welches zur Aktivierung von Vorläuferstufen der Zellwandbiosynthese benötigt wird. Ob diese beiden Transporter an dem Anstieg der Resistenz beteiligt sind, wurde bisher nicht untersucht.
Die innerhalb dieser Arbeit durchgeführten globalen Transkriptomanalysen stellen allerdings eine gute Basis zur weiteren Identifikation von möglichen potenziellen csRNA Zielgenen dar. Hierüber könnte eventuell auch das β-Laktam spezifische Zielgen identifiziert werden. Das der deutliche Effekt der csRNAs, sekundär auf ein schon bekanntes β-Laktamresistenzgen zurückzuführen ist, ist dabei durchaus denkbar.
Die in dieser Arbeit nachgewiesenen Regulationen der csRNAs bezüglich der Kompetenz- und β-Laktamresistenz konnten einen großen Beitrag zum besseren Verständnis dieser Regulations-mechanismen in S. pneumoniae leisten. Des Weiteren bilden die hier ermittelten Ergebnisse eine gute Basis für weitere Experimente.
Linking protistan community shifts along salinity gradients with cellular haloadaptation strategies
(2019)
Salinity is one of the most structuring environmental factors for microeukaryotic communities. Using eDNA barcoding, I detected significant shifts in microeukaryotic community compositions occurring at distinct salinities between brackish and marine conditions in the Baltic Sea. I, furthermore, conducted a metadata analysis including my and other marine and hypersaline community sequence data to confirm the existence of salinity-related transition boundaries and significant changes in alpha diversity patterns along a brackish to hypersaline gradient. One hypothesis for the formation of salinity-dependent transition boundaries between brackish to hypersaline conditions is the use of different cellular haloadaptation strategies. To test this hypothesis, I conducted metatranscriptome analyses of microeukaryotic communities along a pronounced salinity gradient (40 – 380 ‰). Clustering of functional transcripts revealed differences in metabolic properties and metabolic capacities between microeukaryotic communities at specific salinities, corresponding to the transition boundaries already observed in the taxonomic eDNA barcoding approach. In specific, microeukaryotic communities thriving at mid-hypersaline conditions (≤ 150 ‰) seem to predominantly apply the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy by accumulating compatible solutes to counteract osmotic stress. Indications were found for both the intracellular synthesis of compatible solutes as well as for cellular transport systems. In contrast, communities of extreme-hypersaline habitats (≥ 200 ‰) may preferentially use the ‘high-salt-in’ strategy, i. e. the intracellular accumulation of inorganic ions in high concentrations, which is implied by the increased expression of Mg2+, K+, Cl- transporters and channels.
In order to characterize the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy applied by protists in more detail, I conducted a time-resolved transcriptome analysis of the heterotrophic ciliate Schmidingerothrix salinarum serving as model organism. S. salinarum was thus subjected to a salt-up shock to investigate the intracellular response to osmotic stress by shifts of gene expression. After increasing the external salinity, an increased expression of two-component signal transduction systems and MAPK cascades was observed. In an early reaction, the expression of transport mechanisms for K+, Cl- and Ca2+ increased, which may enhance the capacity of K+, Cl- and Ca2+ in the cytoplasm to compensate possibly harmful Na+ influx. Expression of enzymes for the synthesis of possible compatible solutes, starting with glycine betaine, followed by ectoine and later proline, could imply that the inorganic ions K+, Cl- and Ca2+ are gradually replaced by the synthesized compatible solutes. Additionally, expressed transporters for choline (precursor of glycine betaine) and proline could indicate an intracellular accumulation of compatible solutes to balance the external salinity. During this accumulation, the up-regulated ion export mechanisms may increase the capacity for Na+ expulsion from the cytoplasm and ion compartmentalization between cell organelles seem to happen.
The results of my PhD project revealed first evidence at molecular level for the salinity-dependent use of different haloadaptation strategies in microeukaryotes and significantly extend existing knowledge about haloadaptation processes in ciliates. The results provide ground for future research, such as (comparative) transcriptome analysis of ciliates thriving in extreme-hypersaline habitats or experiments like qRT-PCR to validate transcriptome results.
SDE-driven modeling of phenotypically heterogeneous tumors: The influence of cancer cell stemness
(2018)
We deduce cell population models describing the evolution of a tumor (possibly interacting with its
environment of healthy cells) with the aid of differential equations. Thereby, different subpopulations
of cancer cells allow accounting for the tumor heterogeneity. In our settings these include cancer
stem cells known to be less sensitive to treatment and differentiated cancer cells having a higher
sensitivity towards chemo- and radiotherapy. Our approach relies on stochastic differential equations
in order to account for randomness in the system, arising e.g., by the therapy-induced decreasing
number of clonogens, which renders a pure deterministic model arguable. The equations are deduced
relying on transition probabilities characterizing innovations of the two cancer cell subpopulations,
and similarly extended to also account for the evolution of normal tissue. Several therapy approaches
are introduced and compared by way of tumor control probability (TCP) and uncomplicated tumor
control probability (UTCP). A PDE approach allows to assess the evolution of tumor and normal
tissue with respect to time and to cell population densities which can vary continuously in a given set
of states. Analytical approximations of solutions to the obtained PDE system are provided as well.
Northwest Africa is predicted to undergo a climatic shift from a temperate to an arid climate resulting in increased aridity, water salinity, and river intermittency. These changes have the potential to impact freshwater communities, ecosystem functioning, and related ecosystem services. However, there is still limited data on the impact of climate change and salinity on river ecosystems and the people depending on it, particularly in understudied regions such as Northwest Africa. In this dissertation, I focus on the Draa River basin in southern Morocco to assess the primary factors shaping and altering macroinvertebrate communities. A particular focus is placed on the impacts of salt on the ecosystem and the consequences for human well-being. We conducted a meta-analysis covering 195 sites in Northwest Africa to examine the responses of insect communities and their trait profiles to climate change and anthropogenically induced stressors. To exclude large-scale geographic patterns such as variations in climate conditions we conducted a confluence-based study focusing on tributaries and their joint downstream sections near three confluences in the Draa River basin. Additionally, we investigated the water and biological quality of 17 further sites, aiming to explore the relationship between human well-being and the ecosystem. Our approach involved conducting water measurements, biological monitoring, and household surveys to create water, biological, and human satisfaction indices. Our findings revealed that insect family richness in arid sites of Northwest Africa was, on average, 37 % lower than in temperate sites. Among the strongest factors contributing to reduced richness and low biological quality were low flow and high water salinity. Based on the results of the confluence study only around five taxa comprised over 90 % of specimens per site, with a higher proportion of salt-tolerant generalist species in saline sites. Resistance and resilience traits such as small body size, aerial dispersal, and air breathing were found to promote survival in arid and saline sites. However, low γ-diversity in the basin caused minimal differences in macroinvertebrate community composition suggesting that the community was generally adapted to the arid climate. We observed positive associations between river water quality and biological quality indices. However, no significant associations were found between these indices and human satisfaction. Human satisfaction was particularly low in the Middle Draa, where 89 % of respondents reported emotional distress due to water salinity and scarcity. Inhabitants in areas characterized by higher levels of water salinity and scarcity generally rated drinking and irrigation water quality lower. Considering that large parts of Northwest Africa will become arid by the end of the century, we can expect a loss of macroinvertebrate diversity affecting the entire ecosystem, which might potentially affect human well-being negatively. To protect the integrity of the ecosystem in the face of ongoing climate change, it is crucial to limit anthropogenic stressors such as secondary salinization and the pressures on water resources. Protecting both more and less saline rivers, preserving natural water flow, and maintaining connectivity between habitats will allow to maintain the Draa River biodiversity, ensure ecosystem functioning, and benefit inhabitants through ecosystem services. Future policies and action plans should consider the interdependence between ecosystems and human inhabitants to enhance overall well-being.