Dissertations / Theses on the topic 'Proteinphosphatasen'

Die vakuoläre Protonen-ATPase, kurz V-ATPase, ist ein multimerer Enzymkomplex, der in fast jeder eukaryotischen Zelle zu finden ist und den aktiven elektrogenen Transport von Protonen über Membranen katalysiert. Die Aktivität der V-ATPase ist essentiell für eine Vielzahl physiologischer Prozesse. Ein grundlegender Mechanismus zur Regulation der V-ATPase-Aktivität ist die reversible Dissoziation des Holoenzyms in den integralen VO-Komplex, der als Protonenkanal dient, und den cytosolischen V1-Komplex, der ATP hydrolysiert und somit den Protonentransport energetisiert. Die Untereinheit C, die im dissoziierten Zustand der V-ATPase als einzige Untereinheit isoliert im Cytoplasma vorliegt, scheint bei der Bildung des aktiven Holoenzyms eine Schlüsselrolle zu übernehmen. In den Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina ist die V-ATPase an der Speichelsekretion beteiligt. In den sekretorischen Zellen wird die Bildung des V-ATPase-Holoenzyms in der apikalen Plasmamembran durch das Neurohormon Serotonin (5-HT) stimuliert. Der Effekt von 5-HT auf die V-ATPase wird intrazellulär durch die Proteinkinase A (PKA) vermittelt und hält nur für die Dauer der Stimulierung an. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels Phosphoproteinfärbungen und 2D-Elektrophorese nachgewiesen, dass infolge einer Stimulierung der Drüsenzellen mit 5-HT die Untereinheit C der V-ATPase durch die PKA reversibel phosphoryliert wird. Die Phosphorylierung geht einher mit einer Umverteilung der Untereinheit C aus dem Cytoplasma zur apikalen Plasmamembran und der Bildung des aktiven Holoenzyms. Immuncytochemische Untersuchungen zeigten, dass die katalytische Untereinheit der PKA ebenfalls umverteilt wird und in stimulierten Zellen im Bereich der apikalen Plasmamembran konzentriert vorliegt. Um herauszufinden welche Proteinphosphatase der PKA entgegenwirkt, wurden luminale pH-Messungen durchgeführt und der Effekt von spezifischen Proteinphosphatase-Inhibitoren und veresterten Komplexbildnern zweiwertiger Kationen auf die V-ATPase-Aktivität untersucht. Diese Messungen führten zu der Schlussfolgerung, dass eine Proteinphosphatase des Typs 2C an der Inaktivierung der V-ATPase beteiligt ist. Mit weiteren Phosphoproteinfärbungen konnte gezeigt werden, dass die Dephosphorylierung der Untereinheit C ebenfalls durch eine Proteinphosphatase 2C katalysiert wird und dies vermutlich die Dissoziation des VO- und V1-Komplexes begünstigt. Darüber hinaus konnte durch luminale pH-Messungen und ergänzende biochemische Untersuchungen eine Calcineurin-vermittelte Modulation des cAMP/PKA-Signalweges durch den parallel aktivierten IP3/Ca2+-Signalweg und damit einhergehend eine Beeinflussung der V-ATPase-Aktivität durch den [Ca2+]-Spiegel nachgewiesen werden.
The vacuolar-type H+-ATPase (V-ATPase) is a multimeric enzyme that can be found in nearly every eukaryotic cell. It catalyses the active electrogenic transport of protons across membranes and is essential for a multitude of physiological processes. A fundamental mechanism to regulate V-ATPase activity is the reversible dissociation of the holoenzyme into an integral proton conducting VO-complex and a cytosolic V1-complex that hydrolyses ATP and thus energises proton translocation. Subunit C occurs isolated in the cytoplasm upon dissociation of the V-ATPase complexes and seems to be critical for the formation of active holoenzymes. In the salivary glands of the blowfly Calliphora vicina the V-ATPase is involved in fluid secretion. In secretory cells, formation of the V-ATPase holoenzyme is stimulated by the hormone serotonin (5-HT). The effect of 5-HT on V-ATPase activity is mediated by protein kinase A (PKA) and persists for the duration of the 5-HT stimulus. In this study, it was shown by phosphoprotein stainings and two-dimensional electrophoresis that subunit C of the V-ATPase becomes phosphorylated by PKA upon exposure of blowfly salivary glands to 5-HT. Parallel to the phosphorylation event, subunit C translocates from the cytoplasm to the apical plasma membrane for the assembly of active V-ATPase holoenzymes. Using immunofluorescence staining, it could be shown that PKA catalytic subunit translocates as well to the apical membrane upon 5-HT stimulation. To examine which protein phosphatase counteracts PKA, luminal pH-measurements were carried out. Based on the results with protein phosphatase inhibitors and esterified chelating agents of bivalent cations, it may be concluded that a protein phosphatase 2C is involved in the process leading to V-ATPase inactivation. Phosphoprotein stainings revealed that dephosphorylation of subunit C is likewise catalysed by a protein phosphatase 2C. Therefore the dephosphorylation of subunit C seems to promote dissociation of VO- and V1-complexes. Finally, luminal pH-measurements and supplemental biochemical experiments revealed a Ca2+/calcineurin-mediated modulation of the cAMP/PKA signalling cascade and an influence of intracellular calcium on the V-ATPase activity.

Die dynamische Regulation von Protein-Protein Interaktionen (PPIs) ist wichtig für den Ablauf von biologischen Prozessen. Die circadiane Uhr, die einen ~24 Stunden Rhythmus generiert und eine Vielzahl von physiologischen Parametern steuert kann auch die Dynamik von PPIs regulieren. Um neue Erkenntnisse über regulatorische Mechanismen innerhalb des molekularen Oszillators zu gewinnen, habe ich zunächst alle möglichen PPIs zwischen 46 circadianen Komponenten mittels eines systematischen yeast-two-hybid (Y2H) Screens bestimmt. Dabei habe ich 109 bis dahin noch unbekannte PPIs identifiziert und einen repräsentativen Anteil mittels Co-Immunopräzipitationsexperimenten in humanen Zellen validiert. Unter den neuen PPIs habe ich bis dahin unbekannte Modulatoren der CLOCK/BMAL1 Transaktivierung identifiziert und dabei die Rolle der Proteinphosphatase 1 (PP1) als dynamischen Regulator der BMAL1 Stabilität funktionell charakterisiert. Das experimentelle PPI Netzwerk wurde mit bereits aus der Literatur bekannten PPIs und Interaktionspartnern ergänzt. Eine systematische RNAi Studie belegte außerdem die Relevanz der aus der Literatur stammenden Interaktoren für die ~24 Stunden Periodizität. Um eine Aussage über die Dynamik der PPIs im Netzwerk treffen zu können, wurden circadiane mRNA Expressionsdaten in das PPI Netzwerk integriert. Systematische Perturbationsstudien, in denen alle Komponenten des experimentellen Netzwerkes mittels RNAi herunterreguliert oder überexprimiert wurden, zeigten eine essentielle Bedeutung für die dynamischen PPIs innerhalb des circadianen Oszillators auf. Desweiteren wurden im circadianen PPI Netzwerk funktionelle Module identifiziert, welche dynamisch organsiert sind. Durch eine systemweite Analyse des humanen Proteoms wurden viele dynamische PPIs identifiziert, die biologische Prozesse wie z.B. Signaltransduktion und Zellzyklus miteinander verbinden. Rhythmische PPIs sind daher von Bedeutung für die zeitliche Organisation zellulärer Physiologie.
Essentially all biological processes depend on protein-protein interactions (PPIs). Timing of such interactions is crucial for regulatory function. Although circadian (~24 hrs) clocks constitute fundamental cellular timing mechanisms regulating important physiological processes PPI dynamics on this timescale are largely unknown. To elucidate so far unknown regulatory mechanisms within the circadian clockwork, I have systematically mapped PPIs among 46 circadian components using high-throughput yeast-two-hybrid (Y2H) interaction experiments. I have identified 109 so far uncharacterized interactions and successfully validated a sub-fraction via co-immunoprecipitation experiments in human cells. Among the novel PPIs, I have identified modulators of CLOCK/BMAL1 function and further characterized the role of protein phosphatase 1 (PP1) in the dynamic regulation of BMAL1 abundance. Furthermore, to generate a more comprehensive circadian PPI network, the experimental network was enriched and extended with additional interactions and interaction partners from literature, some of which turned out to be essential for normal circadian dynamics. The integration of circadian mRNA expression profiles allowed us to determine the interaction dynamics within our network. Systematic genetic perturbation studies (RNAi and overexpression in oscillating human cells) revealed a crucial role of dynamic regulation (via rhythmic PPIs) for the molecular clockwork. Furthermore, dynamic modular organization as a pervasive circadian network feature likely contributes to time-of-day dependent control of many cellular processes. Global analysis of the proteome regarding circadian regulation of biological processes via rhythmic PPIs revealed time-of-day dependent organization of the human interactome. Circadian PPIs dynamically connect many important cellular processes like signal transduction and cell cycle, which contribute to temporal organization of cellular physiology.

Staphylococcus aureus ist ein Kommensale, der die menschliche Haut und Schleimhaut der Nase und des Rachens besiedelt. Der Keim verursacht aufgrund zahlreicher Virulenzfaktoren leichte aber auch schwere Infektionen wie Pneumonie, Endokarditis oder Sepsis. Die Behandlung von S. aureus-Infektionen gestaltet sich heutzutage schwierig, da der Keim Resistenzen gegen verschiedenste Antibiotika ausgebildet hat. Zur Bekämpfung dieser Resistenzen werden neue Antibiotika benötigt, die u.a. mit der Zellphysiologie und der Zellwandwandsynthese der Bakterien interferieren. Die Zellphysiologie und Zellwandsynthese wird abhängig von der Wachstumsphase und Umwelt-einflüssen in den Bakterien streng reguliert. Neben den Zweikomponentensystemen sind Serin/Threonin-Proteinkinasen und -Phosphatasen wesentliche Sensoren und Regulatoren der Bakterien. Durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung bewirken diese beiden Systeme eine Hemmung oder Aktivierung der entsprechenden Zielproteine. Dadurch kann sich die Bakterienzelle an innere und äußere Reize anpassen. In dieser Arbeit wurde die konservierte Serin/Threonin-Proteinkinase Stk und die Serin/Threonin-Phosphatase Stp von S. aureus untersucht. Die beiden Proteine Stk und Stp haben einen großen Einfluss auf die Signalweiterleitung, den zentralen Metabolismus, die Stressantwort, die Antibiotikaresistenz und die Virulenz von S. aureus. Im ersten Teil dieser Arbeit wird dargelegt, dass Stk und Stp in der bakteriellen Membran lokalisiert sind, dort miteinander interagieren und antagonistisch Zielproteine phosphorylieren bzw. dephospho-rylieren. Die Deletion der Phosphatase Stp bewirkt, dass zahlreiche Proteine in der Zelle permanent phosphoryliert und daher vermutlich nur noch eingeschränkt funktionstüchtig sind. Die ausbleibende Dephosphorylierung der Proteine in der stp-Mutante hat einen dramatischen Effekt auf die Zellwand-synthese und die Virulenz von S. aureus. So hat die stp-Mutante eine verdickte Zellwand und ist weniger virulent als die stk-Mutante und der Wildtypstamm. Im Rahmen dieser Arbeit wird erstmals eine Erklärung präsentiert, die die strukturellen Besonderheiten von Stk und deren Auswirkung auf die Zellwandsynthese zusammenführt: In der stp-Mutante akkumulieren Zellwandvorläufer in der Zelle, da vermutlich die entsprechenden Zellwandsyntheseproteine durch Stk-vermittelte Phosphorylierung gehemmt werden. Die Proteine FemXAB nehmen eine zentrale Rolle in der Zellwandsynthese ein, indem sie die Pentaglycin-Interpeptidbrücke des Zellwandvorläufers Pentaglycin-Lipid II syntheti-sieren. Stk wird durch die Bindung seiner extrazellulären Domänen an Pentaglycin-Lipid II aktiviert. In der vorliegenden Arbeit konnte FemX als in vitro Substrat von Stk und Stp identifiziert werden. Die permanente Phosphorylierung von FemX in der stp-Mutante führt zur verminderten Synthese der Pentaglycin-Brücken am Lipid II und infolgedessen zum Einbau von unvollständigen Muropeptiden in den neuen Peptidoglycanstrang. Diese strukturelle Veränderung führt zur Verdickung der Zellwand und folglich zur verminderten Empfindlichkeit gegenüber der Glycyl-Glycinpeptidase Lysostaphin. Neben FemX interagiert Stk mit weiteren Zellwandsyntheseproteinen wie FemAB und einigen Zellteilungsproteinen. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Stk das Vorkommen seines extrazellulären Liganden Lipid II detektiert und dementsprechend die Zellwandsynthese über FemX reguliert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde anhand verschiedener Omics-Techniken die stk-, stp- und stk/stp-Mutante im Vergleich zum S. aureus NewmanHG Wildtyp charakterisiert. Dabei zeigten sich teilweise große Unterschiede zwischen der stp-Mutante und den anderen Stämmen. Mit diesen Unter-suchungen konnten Ergebnisse aus anderen Studien bestätigt und mit weiteren Daten untermauert werden. So lässt sich die verminderte Virulenz der stp-Mutante mit der reduzierten Expression und Sekretion von Toxinen wie Hämolysinen und Leukozidinen erklären. Dies führt zu einer verminderten Hämolyse von Erythrozyten und einer verminderten Immunantwort gegen diese Toxine im Infektions-versuch. Stk und Stp phosphorylieren bzw. dephosphorylieren Transkriptionsfaktoren und Antwort-regulatoren von Zweikomponentensystemen, was zu der veränderten Expression und Sekretion der Virulenzfaktoren führt. Die Analyse der Mutanten offenbart, dass Stk ein negativer und Stp ein positiver Regulator der Virulenz in S. aureus ist. Außerdem regulieren Stk und Stp zentrale Aspekte des Metabolismus in S. aureus. So ist die Konzentration an Nukleotidtriphosphaten in der stp-Mutante reduziert, was auf eine verminderte Expression der Gene der Pyrimidinsynthese zurückzuführen ist. Anhand dieser Ergebnisse wird deutlich, dass Stk und Stp wesentliche Aspekte der Zellphysiologie wie die Zellwandsynthese, den zentralen Metabolismus und die Virulenz von S. aureus regulieren
Staphylococcus aureus is a commensal that inhabits the human skin and mucosa. S. aureus causes a large variety of nosocomial and community-acquired infections. Nowadays, it is difficult to treat S. aureus infections because this bacterium has acquired resistance to multiple drugs. Therefore, there is a need for new antimicrobial drugs against S. aureus. The most promising strategy to combat antibiotic resistance is to find novel antibiotics which interfere with the cell physiology and cell wall synthesis pathway. The cell physiology and cell wall synthesis is tightly regulated depending on the bacterial growth phase and environmental influences. In addition to the two-component systems, serine/threonine protein kinases are essential sensors and regulators of bacteria. By phosphorylation and dephosphorylation, these systems cause inhibition or activation of the corresponding target proteins. This allows the bacterial cell to adapt to internal and external stimuli. In this work, the conserved serine/threonine protein kinase Stk and the phosphatase Stp in S. aureus were investigated. The two proteins Stk and Stp influence signal transduction, central metabolism, stress response, antibiotic resistance and virulence of S. aureus. In the first part of this work it is shown that Stk and Stp are localized in the bacterial membrane, where they interact with each other and phosphorylate or dephosphorylate target proteins antagonistically. The deletion of the phosphatase Stp leads to numerous proteins in the cell being permanently phosphorylated, which renders them partially unfunctional. The lack of protein dephosphorylation in the stp mutant has a dramatic effect on cell wall synthesis and virulence of S. aureus. Thus, the stp mutant has a thickened cell wall and is less virulent than the stk mutant and the wild-type strain. This work brings together the structural characteristics of Stk and their effect on cell wall synthesis for the first time. In the stp mutant, cell wall precursors accumulate in the cell, presumably because the corresponding cell wall synthesis proteins are inhibited by Stk-mediated phosphorylation. The proteins FemXAB play a key role in cell wall synthesis by synthesizing the pentaglycine interpeptide bridge of the final cell wall precursor pentaglycine lipid II. The pentaglycine lipid II is bound by the extracellular domains of Stk, thereby activating Stk. In the present work, FemX was identified as an in vitro substrate of Stk and Stp. The permanent phosphorylation of FemX in the stp mutant leads to inhibited synthesis of the pentaglycine bridges on the lipid II and consequently to the incorporation of incomplete muropeptides into the new peptidoglycan strand. This structural change leads to thickening of the cell wall and consequently reduced sensitivity to the glycyl-glycine peptidase lysostaphin. In addition to FemX, Stk interacts with other cell wall synthesis proteins such as FemAB and some cell division proteins. These results illustrate that Stk detects the presence of its extracellular ligand lipid II. This leads to an inhibition of FemX and a downregulation of the cell wall synthesis pathway. In the second part of this work, the stk, stp and stk/stp mutants were characterized by different omics- techniques in comparison to the S. aureus NewmanHG wild-type. There were some major differences between the stp mutant and the other strains. With these investigations, results from other studies were confirmed and substantiated with further data. Thus, the reduced virulence of the stp mutant can be explained by the reduced expression and secretion of toxins such as hemolysins and leukocidines. This leads to a reduced hemolysis of erythrocytes and a reduced immune response to these toxins in the infection experiment. Stk and Stp phosphorylate or dephosphorylate transcription factors and response regulators of two-component systems resulting in altered expression and secretion of virulence factors. Analysis of the mutants reveals that Stk is a negative and Stp is a positive regulator of virulence in S. aureus. In addition, Stk and Stp regulate central aspects of S. aureus metabolism. Thus, the concentration of nucleotide triphosphates in the stp mutant is reduced, which is due to a reduced expression of the genes of pyrimidine synthesis. From these results it becomes clear that Stk and Stp regulate essential aspects of cell physiology such as cell wall synthesis, central and virulence in S. aureus. This study of the function of Stk and Stp contributes significantly to the understanding of regulatory processes by phosphorylation in the bacterial cell

Eine positive Eigenschaft der proinflammatorischen Cytokine IL-1b, TNFa und IL-6 ist die Regulation der Immunabwehr. Diese Substanzen werden u.a. von Makrophagen produziert, die durch den Kontakt mit dem Lipopolysaccharid Gram-negativer Bakterien aktiviert werden. Bei einer dauerhaft verstärkten Produktion dieser inflammatorischen Mediatoren kann es zur Ausbildung von chronischen Entzündungserkrankungen kommen, weshalb es von zentraler Bedeutung ist, die Regulation der Cytokinproduktion zu verstehen, um geeignete Therapeutika zur Behandlung dieser Krankheiten entwickeln zu können. Die Induktion zur Expression des IL-1b-Gens erfolgt in LPS-stimulierten Makrophagen rapide, aber transient. In früheren Untersuchungen der Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass eine negative Regulation von IL-1b erst 8 bis 12 Stunden nach LPS-Stimulierung von murinen Makrophagen einsetzt. Diese Regulation wurde hauptsächlich auf der Ebene der Transkription ausgeübt! . In der vorliegenden Arbeit wurden die Mechanismen dieser Kontrolle in LPS-stimulierten RAW 264.7-Makrophagen näher untersucht. Durch Hinweise in der Literatur wurde vermutet, dass diese Kontrolle womöglich im Protein-Kinase A (PKA)-Weg ausgeübt wird. Da cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) von großer Bedeutung innerhalb dieses Signalweges ist, wurde zunächst exogenes cAMP als Modulator des PKA-Weges eingesetzt. Die zwischen 8 und 12 Stunden nach LPS-Stimulierung erstmals zu beobachtende negative Regulation von IL-1b konnte durch die Zugabe exogenen cAMPs aufgehoben werden. Die mRNA-Akkumulation und die Produktion von IL-1b wurden hierdurch deutlich verstärkt. Die Bedeutung weiterer für die Produktion von IL-1b möglicherweise wichtiger Regulationsstellen im PKA-Weg wurde durch den Einsatz spezifischer Inhibitoren untersucht. Durch den Einsatz von Rolipram, einem spezifischen Inhibitor der PDE4, die das intrazelluläre cAMP-Lev! el kontrolliert, wurde die LPS-induzierte negative Regulation von IL-1 b ab 12 Stunden aufgehoben. Die IL-1b-mRNA-Akkumulation und -Produktion wurden ebenfalls deutlich verstärkt. Es wurde desweiteren vermutet, dass die Proteinphosphatase 1 (PP1), die den Transkriptionsfaktor CREB dephosphoryliert, eine weitere Kontrolle über die IL-1b-Produktion im PKA-Weg ausüben könnte. Wie bei der Verwendung von Rolipram wurde durch den PP1-Inhibitor Tautomycin die negative Regulation von IL-1b ab 12 Stunden nach LPS-Stimulierung aufgehoben und sowohl die IL-1b-Produktion als auch die mRNA-Akkumulation verstärkt. Die PDE4 und die PP1 scheinen an der negativen Regulation von IL-1b zudem auf der Ebene der Promotor-Aktivität beteiligt zu sein, wie durch Transfektionsversuche mit IL-1b-Promotor-Reportergen-Konstrukten gezeigt werden konnte. Im Verlauf der Arbeit wurde deutlich, dass der Bereich zwischen dem Enhancer und dem minimalen Promotor des IL-1b-Gens womöglich wesentlich für die negative IL-1b-Regulation ist. Da in! der Literatur vielfach auf die Bedeutung des PKA-aktivierbaren Transkriptionsfaktors CREB für die IL-1b-Produktion hingewiesen worden war, sollte eingehender untersucht werden, ob ein Zusammenhang zwischen der Aufhebung der negativen Regulation von IL-1b und dem Aktivierungszustand von CREB besteht. Tatsächlich führten Rolipram und Tautomycin in Reportergen-Assays auch zur verstärkten Aktivierung eines CREB-abhängigen Promotors. Die TNFa-Produktion wurde in anderer Weise durch die eingesetzten Modulatoren verändert. Da Rolipram die LPS-stimulierte Produktion von TNFa vollständig inhibierte, wohingegen Tautomycin die TNFa-Produktion verstärkte, war dies ein zusätzlicher Hinweis darauf, dass die Regulation von IL-1b und TNFa differenziert voneinander erfolgt. Durch den Einsatz von Tautomycin wurden sowohl die IL-1b- als auch die TNFa-Produktion verstärkt, wobei der PP1-Inhibitor jedoch die Produktion von IL-6 und NO vollständig unterdrückte. Die Aktivität der PP1 scheint daher es sentiell für die Produktion von NO und IL-6 zu sein. NO und IL-6 werden zwar erst relativ spät nach LPS-Stimulierung gebildet, doch lassen die vorliegenden Ergebnisse vermuten, dass die PP1 erst ab 12 Stunden nach LPS-Stimulierung in aktivierter Form vorliegt und dies im Zusammenhang mit der negativen Regulation von IL-1b stehen könnte. Die vielfältigen Effekte der PDE4 und der PP1 auf die Regulation und Produktion von IL-1b, TNFa, IL-6 und NO im Rahmen dieser Arbeit dokumentieren deutlich die Komplexität der intrazellulären Signaltransduktionswege nach LPS-Aktivierung.