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Das photoneuroendokrine System der Vertebraten steuert die rhythmische Melatoninsynthese. Melatonin ist ein wichtiges Signal für circadiane und saisonale Rhythmen und für die Synchronisation der Föten mit dem mütterlichen Organismus. Bei Säugetieren besteht das photoneuroendokrine System aus den folgenden Komponenten: der Retina für die circadiane Lichtperzeption, dem endogenen Rhythmusgenerator im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) und dem Pinealorgan als neuroendokrinem Effektor. Dieses System vermittelt, durch die nächtliche Abgabe des Hormons Melatonin vom Pinealorgan, Änderungen in den Belichtungsverhältnissen der Umgebung an den Körper. Bei der Synthese von Melatonin im Pinealorgan ist die Arylalkylamin Nacetyltransferase (AANAT) das geschwindigkeitsbestimmende Enzym. Die nächtlich erhöhte Expression von Aanat in Pinealozyten wird vor allem durch die Freisetzung des Neurotransmitter NA aus sympathischen Nervenendigungen angetrieben. NA bindet an adrenerge Rezeptoren in der Pinealozytenmembran und aktiviert den cAMP-Signaltransduktionsweg, der zur CRE-vermittelten gesteigerten Aanat Expression führt. In der Promoterregion von Aanat ist auch ein E-box Promoterelement vorhanden, das durch Uhrenproteine angesteuert werden kann. Bislang jedoch war die Rolle des molekularen Uhrwerkes für die Expression von Aanat noch unklar. Um zu untersuchen, wie sich eine Schwächung des negativen Regulatorkomplexes auf die Expression von Aanat im Pinealorgan und in anderen Geweben auswirkt, wurden Mäuse mit gezielter Deletion des Per1 Gen (Per1 KO) untersucht. Die Expression von Aanat im Pinealorgan von Per1 KO Mäusen, die in der Standardphotoperiode gehalten wurden, zeigte einen circadianen Rhythmus mit ähnlicher Dynamik, aber erhöhter Amplitude im Vergleich zum WT. AANAT Enzymaktivität und Melatoninkonzentration folgen dem gleichen Profil. Eine Verkürzung der Photoperiode hat bei Per1 KO Mäusen starke Auswirkungen auf dieendogene Periodenlänge der Aanat Expression, die sich gegenüber dem WT drastisch verlängert. Bei einer Verlängerung der Photoperiode kommt es zu einer Verzögerung im Rhythmus der Aanat Expression von ca. 8 h gegenüber dem WT. Dies zeigt, dass das molekulare Uhrwerk je nach Photoperiode Amplitude, Periodenlänge und Phasenlage modulieren kann. Um zu untersuchen, ob es sich dabei um Pinealorgan-intrinsische Effekte handelt, wurden in vitro Experimente durchgeführt. Im WT-Pinealorgan gibt es zum Zeitpunkt CT18 ein Sensitivitätsfenster für die NA-induzierte Aanat Expression. Überraschenderweise steigt die Aanat Expression im unstimulierten Per1 KO Pinealorgan in der Nacht signifikant gegenüber dem subjektiven Tag an. Eine weitere Induktion durch NA ist nicht möglich. Dies deutet darauf hin, dass ein abgeschwächter negativer Regulator Komplex (NRC), welcher über das E-box Element wirkt, dieselben Auswirkungen in der Per1 KO Maus hat, wie eine NA-Stimulation im WT. Im WT wird der inhibitorische Effekt des NRC offenbar durch die NA-abhängige Aktivierung von CRE überwunden. Untersuchung zur ektopischen Expression von Aanat zeigten, dass dieses Gen in der Hypophyse einen cicadianen Rhythmus aufweist, der unabhängig von einem intakten molekularen Uhrwerk abläuft. Im Gegensatz dazu findet sich in der Milz von Per1 KO Mäusen eine verstärkte Aanat Expression am subjektiven Tag im Vergleich zum WT. Offenbar hat das molekulare Uhrwerk auch einen Einfluss auf die Gewebespezifität der Aanat Expression. Weiterhin wurde in dieser Arbeit die ontogenetische Entwicklung des molekularen Uhrwerkes im SCN von Melatoninrezeptor1 und 2 defizienten (MT1,2 -/-) Mäusen untersucht. Im Gegensatz zu Mäusen mit intakten Melatoninrezeptoren, zeigen diese Mäuse im Fötalstadium noch keinen Rhythmus in der Anzahl mPER1- und mPER2-Ir Zellen. In diesem Stadium sind die einzelnen SCN-Neurone noch kaum durch Synapsen miteinander gekoppelt. Dies deutet darauf hin, dass das mütterliche Melatonin die rhythmischen Uhrengenexpression in den einzelnen fötalen SCN-Zellen synchronisiert. Erst im juvenilen SCN ist ein Rhythmus der Uhrenproteine identisch mit dem adulten Tier. Zu diesem Stadium sind die intrasuprachiasmatischen Kontakte vermutlich schon soweit ausgebildet, dass kein rhythmisches Eingangssignal für die Synchronisation der SCN-Zellen notwendig ist.
Acinetobacter baumannii is a Gram-negative pathogen that causes a multitude of nosocomial infections. The Acinetobacter trimeric autotransporter adhesin (Ata) belongs to the superfamily of trimeric autotransporter adhesins which are important virulence factors in many Gram-negative species. Phylogenetic profiling revealed that ata is present in 78% of all sequenced A. baumannii isolates but only in 2% of the closely related species A. calcoaceticus and A. pittii. Employing a markerless ata deletion mutant of A. baumannii ATCC 19606 we show that adhesion to and invasion into human endothelial and epithelial cells depend on Ata. Infection of primary human umbilical cord vein endothelial cells (HUVECs) with A. baumannii led to the secretion of interleukin (IL)-6 and IL-8 in a time- and Ata-dependent manner. Furthermore, infection of HUVECs by WT A. baumannii was associated with higher rates of apoptosis via activation of caspases-3 and caspase-7, but not necrosis, in comparison to ∆ata. Ata deletion mutants were furthermore attenuated in their ability to kill larvae of Galleria mellonella and to survive in larvae when injected at sublethal doses. This indicates that Ata is an important multifunctional virulence factor in A. baumannii that mediates adhesion and invasion, induces apoptosis and contributes to pathogenicity in vivo.
The solution structure of the lantibiotic immunity protein NisI and its interactions with nisin
(2015)
Many Gram-positive bacteria produce lantibiotics, genetically encoded and posttranslationally modified peptide antibiotics, which inhibit the growth of other Gram-positive bacteria. To protect themselves against their own lantibiotics these bacteria express a variety of immunity proteins including the LanI lipoproteins. The structural and mechanistic basis for LanI-mediated lantibiotic immunity is not yet understood. Lactococcus lactis produces the lantibiotic nisin, which is widely used as a food preservative. Its LanI protein NisI provides immunity against nisin but not against structurally very similar lantibiotics from other species such as subtilin from Bacillus subtilis. To understand the structural basis for LanI-mediated immunity and their specificity we investigated the structure of NisI. We found that NisI is a two-domain protein. Surprisingly, each of the two NisI domains has the same structure as the LanI protein from B. subtilis, SpaI, despite the lack of significant sequence homology. The two NisI domains and SpaI differ strongly in their surface properties and function. Additionally, SpaI-mediated lantibiotic immunity depends on the presence of a basic unstructured N-terminal region that tethers SpaI to the membrane. Such a region is absent from NisI. Instead, the N-terminal domain of NisI interacts with membranes but not with nisin. In contrast, the C-terminal domain specifically binds nisin and modulates the membrane affinity of the N-terminal domain. Thus, our results reveal an unexpected structural relationship between NisI and SpaI and shed light on the structural basis for LanI mediated lantibiotic immunity.
Lantibiotics are peptide-derived antibiotics that inhibit the growth of Gram-positive bacteria via interactions with lipid II and lipid II-dependent pore formation in the bacterial membrane. Due to their general mode of action the Gram-positive producer strains need to express immunity proteins (LanI proteins) for protection against their own lantibiotics. Little is known about the immunity mechanism protecting the producer strain against its own lantibiotic on the molecular level. So far, no structures have been reported for any LanI protein. We solved the structure of SpaI, a LanI protein from the subtilin producing strain Bacillus subtilis ATCC 6633. SpaI is a 16.8-kDa lipoprotein that is attached to the outside of the cytoplasmic membrane via a covalent diacylglycerol anchor. SpaI together with the ABC transporter SpaFEG protects the B. subtilis membrane from subtilin insertion. The solution-NMR structure of a 15-kDa biologically active C-terminal fragment reveals a novel fold. We also demonstrate that the first 20 N-terminal amino acids not present in this C-terminal fragment are unstructured in solution and are required for interactions with lipid membranes. Additionally, growth tests reveal that these 20 N-terminal residues are important for the immunity mediated by SpaI but most likely are not part of a possible subtilin binding site. Our findings are the first step on the way of understanding the immunity mechanism of B. subtilis in particular and of other lantibiotic producing strains in general.