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Sphingolipids are not only structural components of cell membranes but can also act as signalling molecules in different pathways. Sphingolipid precursors, Ceramides (Cer), are synthesized de novo by six different synthases (CerS1-6) which generate Cer of different chain lengths. Cer can be further synthesized to glycosphingolipids and sphingomyelin. Cell membrane parts that are enriched in glycosphingolipids are so-called lipid rafts and can function as signalling platforms for different receptors, such like the T cell receptor (TCR). CD4+ T cells play a crucial role in the development of ulcerative colitis, a chronic inflammatory disease of the colon. As CerS3 expression was increased in the white blood cells of human colitis patients, the role of CerS3 in the TCR signalling and colitis was investigated in this dissertation. By lenti-viral transduction of a CerS3-shRNA into a CD4+ Jurkat cell line, it was shown that CerS3 has an impact on activated T cells. A decrease of different sphingolipids after T cell activation via CD2/3/28 activation beads and IL2 treatment was observed that was accompanied by an inhibition of Zap70 phosphorylation, an important protein of the TCR signalling. The impaired TCR signalling led to a diminished NFAT1 translocation into the nucleus which subsequently led to a reduced NFAT1- dependent TNFα release. Downregulation of CerS3 in primary CD4+ T cells, obtained from the blood of healthy volunteers, also showed a reduced release of pro-inflammatory cytokines after activation. This dissertation demonstrates a pivotal role for CerS3 in T cell function and highlights CerS3 as potential new target for T cell driven colitis.
For thousands of years, S. cerevisiae has been employed by humans in brewing and baking. Nowadays, this budding yeast is more than that: it is a well investigated model organism and an established workhorse in biotechnology. S. cerevisiae serves as a production host for various applications such as i) bioethanol production ii) the biosynthesis of hormones including insulin or iii) cannabinoid biosynthesis. Hereby, the robustness of S. cerevisiae and its high tolerances regarding pH and salt concentrations qualifies it for a wide range of industrial applications. Moreover, products of S. cerevisiae are generally recognised as safe (GRAS), enabling diverse biotechnological applications. Various mechanisms for genetic engineering of S. cerevisiae are applicable and the engineering process itself is straightforward since methods are established and widely known. Due to the wide range of industrial applications of S. cerevisiae, this organism is an ideal candidate for applied research and implementation of the recombinant biosynthesis of tocochromanols in this study.
Tocochromanols encompass tocotrienols and tocopherols, which are lipid-soluble compounds that are commonly associated with vitamin E activity. Hereby, α-tocopherol is the most prevalent form, as it is an essential nutrient in the diet of humans and animals. Naturally, tocochromanols are almost exclusively synthesised by photoautotrophic organisms such as plants or cyanobacteria. They consist of an aromatic head group and a polyprenyl side chain which is saturated in tocopherols and 3-fold unsaturated in tocotrienols. The methylation status of the chromanol ring distinguishes α-, β-, γ- and δ-tocochromanol. All forms of tocochromanols represent a group of powerful antioxidants, scavenging reactive oxygen species (ROS) and preventing the propagation of lipid oxidation in lipophilic environments. Recently, attention has been drawn to tocotrienols, due to their benefits in neuroprotection as well as cholesterol-lowering and anti-cancer properties. Consequently, tocochromanols are valuable additives in the food, feed, cosmetic and pharmaceutical industries.
The metabolic engineering strategy of S. cerevisiae to enable tocochromanol biosynthesis was started in a preceding master thesis with the provision of the aromatic moiety, homogentisic acid (HGA), from the aromatic amino acid biosynthesis. Hereby, the upregulation and redirection of the native pathway was essential. Therefore, a strain with an engineered aromatic amino acid pathway for improved 4 hydroxyphenylpyruvate (HPP) production (MRY33) was utilised from Reifenrath and Boles (2018). Furthermore, a heterologous hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) was required to convert HPP into HGA. Thus, several heterologous HPPDs were expressed and characterised regarding their HGA production within the previous study. The best variant originated from Yarrowia lipolytica, YlHPPD, and was integrated into the genome of MRY33. The resulting strain JBY2, produced 435 mg/L HGA in a shake flask fermentation.
This work was started with the genetically highly modified strain JBY2, whose genome already contained a large number of genes artificially expressed behind strong promoters. For further strain development, it was advantageous to maintain a high degree of sequence variability in order to prevent genomic instabilities due to sequence homologies. Thus, 17 artificial promoters (AP1-AP17) were characterised regarding their strength of expression by the yellow fluorescent protein (YFP). These sequences were also part of a patent that was filed during this work (WO2023094429A1).
The key point of this study was the development of a metabolic engineering strategy for the strain JBY2. First, the sufficient supply of the second precursor, the polyprenyl side chain, was investigated. Natively, S. cerevisiae produces the precursor, geranylgeranyl diphosphate (GGPP), from the isopentenyl diphosphate pathway. However, without further engineering, GGPP was barely detectable in JBY2 (< 0.1 mg/L). Thus, engineering of the isopentenyl diphosphate biosynthesis was necessary. The limiting enzyme of the mevalonate pathway was the 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGCR), which is encoded by HMG1. Therefore, a truncation for feedback-resistance and its overexpression by a promoter exchange was performed. Furthermore, the promoter of the gene for the squalene synthase (pERG9) was exchanged by the ergosterol sensitive promoter pERG1 to limit the metabolic flux of the mevalonate pathway into the ergosterol pathway. The native GGPP synthase (BTS1) was another limitation that was observed throughout this study. To overcome this bottleneck, plasmid-based and integrative overexpression of the native BTS1 and a codon optimised BTS1 were investigated. Other strategies to improve GGPP production were the deletion of the gene for the diacylglycerol pyrophosphate phosphatase (DPP1) to prevent excessive dephosphorylation of GGPP to geranylgeraniol (GGOH), and the overexpression of the farnesyl pyrophosphate synthetase, encoded by ERG20. However, the best improvements of the GGPP biosynthesis, inferred through GGOH measurements, were achieved from the screening of several heterologous GGPP synthases in S. cerevisiae. The best performing strain was JBY61 (JBY2, hmg1Δ::pTDH3-HMG1tr[1573–3165], pERG9Δ::pERG1, ChrIV-49293-49345Δ::pTDH3-XdcrtE-tSSA1_LEU2), bearing the heterologous GGPP synthase crtE of Xanthophyllomyces dendrorhous and produced 64.23 mg/L GGOH. Consequently, this engineering strategy improved the GGOH production by a factor of 642 compared to the parent strain JBY2.
Terpenes are one of the largest and most diverse class of natural products, produced by organisms from all kingdoms of life and with important applications in the pharma, flavor and fragrance industries. Well-known examples of terpenes are the pharmaceuticals artemisinin and taxol, the flavor and fragrance compounds menthol, santalol and sclareol, the structural material polyisoprene and the biofuel precursor farnesene. The methods and results presented in this work offer a variety of ways to modify terpene precursors for the creation of new terpene molecules. The application of these methodologies in well-established production systems could lead to the production of new substances, with applications in the industrial fields of pharmaceuticals, flavors and fragrances, and biofuels.
Biotechnological processes offer better production conditions for a wide variety of goods of industrial interest. The production of aromatic compounds, for example, involves molecules of great value for cosmetic, plastic, agrochemical and pharmaceutic industries. However, the yield of such processes frequently prevents a proper implementtation that would allow the replacement of traditional production processes.
Numerous rational engineering approaches have been attempted to enhance metabolic pathways associated with desired products. Unfortunately, genetic modifications and heterologous pathway expression often lead to a higher metabolic burden on the producing organisms, ultimately leading to reduced production levels and fitness.
This project utilised adaptive laboratory evolution to better understand the development of synthetic cooperative consortia, using S. cerevisiae as a model organism. Specifically, a synthetic cooperative consortium was developed around the exchange of lysine and tyrosine, which was subjected to adaptive laboratory evolution aiming to induce mutations that would improve the system’s fitness either by enhanced production or upgraded stress resistance. Consequently, the mutant strains isolated after the evolution rounds were sequenced to identify relevant variations that could be related to the growth and production phenotypes observed.
The insights derived from this project are expected to contribute to further developing synthetic cooperative consortia with utilitarian purposes.
In allen drei Domänen des Lebens ist in der Translation die Initiation der geschwindigkeits-bestimmende Schritt. Die Effizienz der Translationsinitiation und ihre unterschiedliche Regula-tion ist von Translationsinitiationsfaktoren (IFs) abhängig. Bakterien enthalten nur drei IFs, während die Anzahl bei Archaeen (aIFs) und Eukaryoten (eIFs) deutlich höher ist.
Das Archaeon Haloferax volcanii beispielsweise besitzt 14 Gene, die für aIFs bzw. deren Untereinheiten kodieren. Eine Deletionsanalyse ergab, dass fünf aIFs essenziell und neun aIFs nicht essenziell sind. Um einen Einblick in die Funktions- und Interaktionsbereiche der aIFs in H. volcanii zu erhalten, wurden die aIFs mit einem His-Tag versehen und überexpri-miert. Die Überexpression erfolgte in der jeweiligen Deletionsmutante. Für essenzielle aIFs fand sie im Wildtyp statt. Durch Affinitätsaufreinigungen wurden die aIFs und ihre Bindungs-partner isoliert und mittels Massenspektrometrie (MS) identifiziert. Für den Ausschluss unspe-zifischer Proteine dienten zwei stringente Kontrollen als Referenz, das Reportergen Dihydro-folatreduktase (HVO_1279) mit His-Tag und das Expressionsplasmid ohne Gen.
Die ersten Arbeiten konzentrierten sich auf den heterotrimeren Faktor aIF2. Er bindet die Ini-tiator-tRNA und ist damit für die Bildung des Präinitiationskomplexes von zentraler Bedeu-tung. Der Faktor aIF2 besteht aus jeweils einer α-, β- und γ-Untereinheit. In H. volcanii existie-ren zwei Orthologe für aIF2β. Die Überexpressionen der α-, β1-, β2- und γ-Untereinheiten führten zur Co-Isolation der jeweils anderen Untereinheiten des aIF2 (α, β1/ β2, γ).
Die Strategie der Co-Affinitätsaufreinigung und MS wurde auf alle weiteren annotierten aIFs ausgedehnt, um mögliche Funktionen zu identifizieren und ein potenzielles Interaktionsnetz-werk der aIFs zu erstellen. Für alle aIFs konnte ein unterschiedliches Muster an co-gereinigten Proteinen festgestellt werden. Mitgereinigte Proteine waren aIFs, Proteine der Translation, Transkription, Replikation und ribosomale Proteine. Auch RNA-Polymerase-Untereinheiten (RNAPUs) konnten co-isoliert werden. Mit 13 der 14 aIFs konnten andere Ini-tiationsfaktoren co-gereinigt werden. Sechs aIFs konnten zu Beginn bei keinem weiteren Initi-ationsfaktor mitgereinigt werden. Einer dieser Faktoren war aIF2β-1, der jedoch in den Affini-tätsaufreinigungen mit nachfolgender FPLC von aIF2β-2 identifiziert werden konnte. Der Fak-tor aIF1 konnte nur in der stationären Phase von aIF2α mitgereinigt werden.
Die am häufigsten co-gereinigten Proteine waren aIF2Bδ-1 und aIF5B. Für aIF2Bδ-1 kam dies überraschend, da er bereits als Translationsinitiationsfaktor ausgeschlossen wurde. Mit dem Faktor aIF2Bδ-1 selbst konnten fünf aIFs co-gereinigt werden.
Da mit den aIFs auch RNAPUs co-gereinigt werden konnten, wurden sieben RNAPUs ebenfalls mit einem His-Tag versehen und überexprimiert. Auch mit den RNAPUs konnten aIFs, sowie weitere Proteine der Translation mitgereinigt werden.
Diese Umstände legen nahe, dass es möglicherweise eine engere Verbindung der Tran-skription und Translation in H. volcanii geben könnte, als bisher angenommen.
Bei Cryptochromen handelt es sich um Blaulichtrezeptoren der Cryptochrom-Photolyase-Proteinfamilie (CPF). Mitglieder dieser Proteinfamilie sind in allen Domänen des Lebens zu finden und haben eine essentielle Rolle in der Reparatur der DNA sowie der lichtgesteuerten Regulation der Expression. Cryptochrome sind in der Regel keine DNA-reparierenden Proteine. Sie sind regulativ an der Steuerung der inneren Uhr und des Zellzyklus der Organismen beteiligt. In der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum konnten bisher sechs phylogenetisch unterschiedliche Mitglieder der CPF identifiziert werden. Bei CryP handelt es sich um das einzige pflanzenähnliche Cryptochrom der photoautotrophen Diatomee. Für das Protein CryP konnte bereits ein blaulichtinduzierter Photozyklus durch die Absorption der Chromophore 5-Methenlytetrahydrofolat (MTHF) und Flavinadenindinukleotid (FAD) gezeigt werden. Außerdem ist eine regulative Wirkung des Proteins auf die Lichtsammelkomplexe (Lhc) der Diatomee bekannt. Für eine weitere Charakterisierung des CryPs wurde in dieser Arbeit zunächst das Absorptionsverhalten unter verschiedenen Wellenlängen beobachtet, um so einen Einblick in eine mögliche Aktivierung und Deaktivierung des Proteins durch Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu erlangen. Es zeigte sich hierbei eine mit pflanzlichen Cryptochromen vergleichbare Anreicherung verschiedener Redoxzustände des FADs in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Für eine Aufklärung der Wirkungsweise des CryP-Proteins wurden verschiedene Hypothesen untersucht: Die phylogenetische Nähe und ein ähnliches Absorptionsverhalten des CryPs zu Cryptochromen mit Reparaturfähigkeit für einzelsträngige DNA (Cry-DASH) führte zu einer Untersuchung des Proteins als möglicher Transkriptionsfaktor. Hierfür konnte eine Kernlokalisation des Proteins nachgewiesen werden, was Rückschlüsse auf eine potentielle Regulation der Expression mittels DNA-Bindung zulässt. Außerdem wurde gezeigt, dass CryP DNA-Bindefähigkeit besitzt. Die bisher nachgewiesenen Bindungen waren jedoch unspezifischer Art. Dies konnte auch für die Promotersequenz eines der durch CryP regulierten Gene lhcf1 festgestellt werden. Auf Grund der unspezifischen DNA-Bindung wurde eine zweite Hypothese für CryP untersucht: CryP wirkt regulativ auf die Expression verschiedener Gene durch Protein-Protein-Interaktionen und ist Teil einer Reaktionskaskade zur Signalweiterleitung in P. tricornutum.
Durch die Untersuchung der zweiten Hypothese konnten drei Interaktionspartner für CryP identifiziert und eine Interaktion verifiziert werden. Hierbei handelt es sich um das Protein AAA mit einer bisher unbekannten Funktion und das Protein BolA, welches Teil der zuerst in Escherichia coli identifizierten BolA-like-Proteinfamilie ist. Außerdem konnte eine Interaktion mit dem Cold-Shock-Domänen-Protein CSDP gezeigt werden. Bei den Proteinen BolA und CSDP handelt es sich um potentiell regulierende Faktoren der Transkription und Translation, was Teil einer Reaktionskaskade sein kann. Die aus anderen Organismen bekannten Funktionen des BolA-Proteins überschneiden sich mit den in CryP-Knockdown-Mutanten beobachteten Effekten. Sie zeigen eine erhöhte Sensitivität für Stresssituationen wie abweichende Nährstoffkonzentration, Osmolaritäten und Temperaturen. Diese Beobachtungen stellen einen Zusammenhang der durch einen CryP-Knockdown beobachteten Effekte und der CryP-BolA-Interaktion her. Durch Homologien zu Cold-Shock-Proteinen aus Chlamydomonas reinhardtii gibt die CryP-Interaktion mit dem Protein CSDP Hinweise auf einen potentiellen Mechanismus zur Regulation der Lhc-Proteine, für welche zuvor ein CryP-abhängiger Effekt beschrieben war.
Über die Protein-Protein-Interaktionen hinaus wurde die Phosphorylierung des CryPs als Möglichkeit der Signalweiterleitung untersucht. Es konnte eine reversible Phosphorylierung des heterolog aus E. coli isolierten CryPs gezeigt werden. Diese zeigt Ähnlichkeiten zu bekannten Phosphorylierungen pflanzlicher Cryptochrome und gibt Hinweise auf einen Mechanismus der Signalweiterleitung.
Durch die Untersuchung der CryP-regulierten Transkription mit P. tricornutum CryP-Knockdown-Mutanten durch Next-Generation-Sequencing (NGS) konnte die Hypothese der regulativen Proteinkaskade und der Signalweiterleitung weiter bestätigt werden. Die Auswirkungen des CryPs auf die Transkription erwiesen sich als nicht auf einen Teilbereich des Metabolismus begrenzt, sondern sind in einem großen Teil der funktionellen Gengruppen in P. tricornutum zu sehen. Außerdem konnten drei Klassen CryP-regulierter Gene festgestellt werden. Kategorie 1: die ausschließlich unter Blaulicht regulierten Gene; Kategorie 2: die sowohl unter Blaulicht als auch im Dunkeln regulierten Gene und Kategorie 3: die ausschließlich im Dunkeln regulierten Gene. Ein im Dunkeln und unter Blaulicht jeweils unterschiedlicher regulativer Effekt deutet auf eine Doppelfunktion des CryPs hin. Möglicherweise hat das Cryptochrom unterschiedliche lichtabhängige und lichtunabhängige Funktionen.
Durch die Analyse der CryP-regulierten Genexpression konnte außerdem ein Zusammenhang zwischen CryP und weiteren Photorezeptoren gezeigt werden. Der CryP-Proteingehalt in der Zelle hat einen regulativen Einfluss auf das CPF1-Protein, eine Photolyase mit dualer Funktion aus der gleichen Proteinfamilie. Zusätzlich konnte auch ein Einfluss auf die Lichtsensitivität der Genexpression des Rotlichtrezeptors Phytochrom (DPH) durch CryP gezeigt werden. Vergleichbar mit höheren Pflanzen scheint ein regulatives Netzwerk der Photorezeptoren auch in der Diatomee P. tricornutum vorhanden zu sein.
Xylose, an abundant sugar fraction of lignocellulosic biomass, is a five-carbon skeleton molecule. Since decades, utilization of this sugar has gained much attention and has been in particular focus as a substrate for production of biofuels like ethanol by microbial hosts, including Saccharomyces cerevisiae. In this yeast, xylose is naturally not used as a carbon source, but its utilization could be achieved by metabolic engineering either via the oxidoreductive route or through the isomerase pathway. Both pathways share xylulose as a common intermediate that must be phosphorylated before entering the endogenous metabolism via the non-oxidative pentose phosphate pathway (noxPPP). Besides this, in some bacteria a non-phosphorylating oxidative pathway for xylose degradation exists, known as Weimberg pathway, where a molecule of xylose is converted by a series of enzymes - xylose dehydrogenase (XylB), xylonate dehydratase (XylD), 3-keto-2-deoxy-xylonate dehydratase (XylX) and α-ketoglutarate semialdehyde dehydrogenase (KsaD) - to form α-ketoglutarate (AKG). Besides having several useful properties as a product, AKG could also be used for cell growth as an intermediate of the tricarboxylic acid (TCA) cycle. One target of the present study is to establish a functional Weimberg pathway in S. cerevisiae. Previous studies have shown that this task is not trivial, for instance due to the toxicity of xylonate (the first metabolite of the pathway) and the involvement of an iron-sulfur cluster dependent enzyme, the D-xylonate dehydratase. The assembly of iron-sulfur clusters on a heterologous protein in yeast is known to be challenging.
To establish the Weimberg pathway in yeast, the genes xylB, xylD, and xylX were obtained from Caulobacter cresentus and ksaD was from Corynebacterium glutamicum. In a variant, the dehydratase xylD was replaced with orf41 from Arthrobacter nicotinovorans, which is believed to be independent of iron-sulfur clusters. Growth of yeast cells on xylose as a sole carbon source was expected as an indicator of a functional Weimberg pathway. However, the heterologous expression of the codon optimized genes was not sufficient to reach this goal. Due to the complexity of the interactions of the heterologous pathway with the endogenous cellular processes, it was assumed that potential limitations could be overcome by adaptive laboratory evolution, using xylose as a sole source of carbon. Increasing selection pressure was applied on a strain with Weimberg pathway genes integrated into the genome over several generations. As a variant of the evolutionary engineering approach, mutator strains were generated. For this, RAD27 and MSH2 genes were deleted, which are involved in nucleotide excision and mismatch repair mechanisms, respectively. Some of the resulting strains PRY24, PRY25, PRY27 and PRY28 were able grow in xylose as a sole carbon source after evolutionary engineering. As a control, a non-mutator strain PRY19 was also included. Strikingly, only the mutator strains were able to consume xylose as a sole carbon source, which shows the feasibility of the approach.
In addition to the mutator strain strategy, a further approach employed in the present study was the simultaneous expression of the Weimberg pathway in the cytosol and mitochondria. This was based on the reasoning that the iron-sulfur cluster biogenesis on XylD may be improved in the organelle and that the AKG is an intermediate of the TCA cycle. In the strain AHY02, all enzymes of the pathway were tagged with mitochondrial targeting signals in addition to a full cytosolically localized pathway. The localization of the mitochondrial variants was confirmed by fluorescence microscopy. Together with AHY02, CEN.PK2-1C wild type strain was also included as a control for evolution. When a selection pressure on xylose was applied, both strains - AHY02 and CEN.PK2-1C - were able to grow in the course of evolution. Deletion of the xylulokinase (XKS1) gene was found to be detrimental for both evolved strains in xylose-containing media. This suggests that the evolution of the endogenous oxidoreductive and noxPPP genes is responsible for growth of the evolved cells. For the evolved strain AHY02, it could also be possible that the Weimberg pathway genes supported to growth in addition to the oxidoreductive route. To elucidate the underlying molecular mechanisms, genome sequencing and reverse engineering approaches would be necessary in future.
In addition to screening for growth on xylose as a sole carbon source, a less stringent screening system was created to examine even a minor flux of xylose towards AKG. For this, all genes necessary for conversion of isocitrate to AKG where deleted, yielding a glutamate auxotrophic strain. In this system, the cells can grow on other carbon sources, whereas xylose is only provided as a source of AKG for the synthesis of glutamate...