Bereich: Grundlagenforschung Infektiologie

Prof. Christoph Dehio Basel		Dr. Ralf Schülein Basel

Ein zweiteiliges Signal vermittelt die Übertragung von Typ IV Sekretionssubstraten von Bartonella henselae in menschliche Zellen

Zusammenfassung
Ein Erkennungssignal für die Übertragung bakterieller Virulenzproteine in menschliche Zellen
Spezifische Virulenzfaktoren ermöglichen bakteriellen Krankheitserregen die Infektion des Menschen. Meist bedingt der Infektionsprozess das geordnete Zusammenspiel verschiedener Virulenzfaktoren. Derartige Virulenzsysteme entstehen nicht „spontan“ aus dem Nichts, sondern entwickeln sich durch Funktionswandel bestehender physiologischer Systeme (z.B. für den Stoff-Transport oder die Fortbewegung), die im Verlauf der langen Entwicklungsgeschichte der Bakterien schrittweise entstanden sind. Ein Beispiel hierfür sind die sog. Typ IV Sekretionssysteme (T4SS). Diese komplexen Transportmaschinen ermöglichen die Übertragung von DNA zwischen Bakterienzellen durch den Prozess der bakteriellen Konjugation. Hierbei wird ein DNA/Protein-Komplex durch das T4SS einer Donor-Zelle in eine Rezipienten-Zelle übertragen. Einige wichtige Krankheitserreger des Menschen haben T4SS als Virulenzsysteme adaptiert und übertragen hiermit Virulenzproteine aus dem Zytoplasma des Erregers direkt in das Zytoplasma infizierter Wirtszellen. Zu diesen Erregern zählen Helicobacter pylori (infiziert 50% der Weltbevölkerung und verursacht Magengeschwür und Magenkarzinom), Legionella pneumophila (verursacht die Legionärskrankheit), Brucella spp. (verursacht Bruzellosen), Rickettsia spp. (verursachen Fleckfieber), Coxiella burneti (verursacht Q-Fieber) und Bartonella spp. (verursachen Bartonellosen). Trotz der zentralen Bedeutung der T4SS für die Virulenz dieser Krankheitserreger wurden bisher nur wenige der hiervon übertragenen Virulenzproteine identifiziert. Bisher konnte auch kein Erkennungssignal für das T4SS innerhalb dieser Virulenzproteine identifiziert werden. Für eine funktionelle Untersuchung dieser Aspekte erwies sich der Erreger Bartonella henselae als besonders geeignet. Dieser von Katzen auf den Menschen übertragene Erreger ruft nebst anderen Krankheitsbildern insbesondere die Bildung von Blutgefässtumoren bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem hervor (bazilläre Angiomatose). Die Tumorbildung erfolgt aufgrund einer komplexen Wechselwirkung des Erregers mit Endothelzellen - dem Zelltyp, der die Wände von Blutgefässen auskleidet. In den infizierten Endothelzellen kommt es zur Umgestaltung des Zytoskeletts, der Auslösung einer Entzündungsreaktion, der Unterdrückung des programmierten Zelltods, sowie der Stimulation der Zellteilung, in deren Folge es zur unkontrollierten Blutgefässneubildung und somit zu Tumorwachstum kommt. Bei der Stimulation dieser zellulären Prozesse durch Bartonella henselae kommt einem T4SS dieses Erregers zentrale Bedeutung zu. In der prämierten Arbeit werden erstmals die Virulenzproteine beschrieben, die von Bartonella henselae mit Hilfe des T4SS in menschliche Endothelzellen übertragen werden. Ein als Pathogenitätsinsel bezeichneter Genomabschnitt kodiert die sieben identifizierten Virulenzproteine (BepA-BepG) sowie die elf Protein-Komponenten des T4SS. Die Mutation der für BepA-BepG kodierenden Gene führt zum Verlust aller bekannten T4SS-abhängigen zellulären Effekte in Endothelzellen. Die Analyse des modularen Aufbaus dieser Virulenzproteine erwies sich als wegweisend bei der Identifizierung des Erkennungssignals für die Übertragung durch das T4SS. Am jeweils einen Ende (N-Terminus) finden sich verschiedenartige Protein-Domänen, die nicht an der Übertragung durch das T4SS beteiligt sind, denen innerhalb der Endothelzellen jedoch Bedeutung bei der Auslösung zellulärer Effekte zukommt. In unmittelbarer Nähe des anderen Endes (C-Terminus) findet sich jedoch bei allen Bep Virulenzproteinen eine gleichartige Domäne, die von einer positiv geladenen Endsequenz gefolgt wird. Dieser zweiteilige Proteinabschnitt erwies sich als das gesuchte Erkennungssignal für die Übertragung durch das T4SS. Tatsächlich werden Fremdproteine nach Ankopplung dieses Erkennungssignals vom T4SS erkannt und effizient in Endothelzellen übertragen. Durch Kenntnis des T4SS-Erkennungssignals der Bep Virulenzproteine konnten anhand von Sequenzvergleichen erstmals auch die Erkennungssignale der so genannten konjugativen Relaxasen nachgewiesen werden, die im Prozess der bakteriellen Konjugation die zu übertragende DNA binden und über ein T4SS in eine andere Bakterienzelle transferieren. Konjugative Relaxasen stellen somit den evolutionären Ursprung des in dieser Arbeit funktionell charakterisierten Erkennungssignals von Proteinsubstraten der T4SS dar. Interessanterweise bewirkte das Erkennungssignal einer konjugativen Relaxase nach Ankopplung an ein Fremdprotein ebenfalls den T4SS-abhängigen Proteintransfer von Bartonella henselae in menschliche Endothelzellen. Damit konnte erstmals gezeigt werden, dass die Erkennungssignale der Proteinsubstrate eines Virulenz-assoziierten T4SS sowie eines der bakteriellen Konjugation dienenden T4SS funktionell austauschbar sind.

Bedeutung der Arbeit
Die Ergebnisse dieser Arbeit vermitteln ein vertieftes Verständnis der Evolution und Funktionsweise der für die bakterielle Virulenz bedeutsamen T4SS, insbesondere hinsichtlich der molekularen Erkennung der übertragenen Virulenzproteine. Die Identifizierung einer konservierten Proteindomäne in den charakterisierten T4SS-Erkennungssequenzen stellt auch ein interessantes „Target“ für die Entwicklung neuartiger Anti-Infektiva dar, die auf die Blockierung der T4SS-abhängigen Übertragung von Virulenzproteinen abzielen. Darüber hinaus könnte diese Arbeit wichtige Impulse für eine therapeutische Nutzung von T4SS geben. Dies resultiert aus dem Nachweis der T4SS-abhängigen Übertragung von Fremdproteinen in menschliche Zellen, denen ein entsprechendes Erkennungssignal angekoppelt wurde. Ein mögliches Anwendungsgebiet für die therapeutische Nutzung von T4SS ist die intrazelluläre Einbringung von Impfstoffen bzw. von therapeutisch wirksamen Proteinen durch abgeschwächte Erreger.

Schülein R, Guye P, Rhomberg TA, Schmid MC, Schröder G, Vergunst AC, Carena I, and Dehio C. A bipartite signal mediates the transfer of type IV secretion substrates of Bartonella henselae into human cells. Proc Natl Acad Sci U S A, 2005; 102: 856-861.
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Die Forschungsarbeit
Ein Erkennungssignal für die Übertragung bakterieller Virulenzproteine in menschliche Zellen	71 Kb