Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

124 WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | PoFII – unabhängige Forschung
03 Strukturanalyse des angeborenen Immunsystems
PROJEKTLEITER | Prof. Dr. Wolf-Dieter Schubert | ehemalige Arbeitsgruppe Molekulare Wirt-Pathogen-
Interaktionen | jetzt: Department of Biotechnology, University of the Western Cape, Cape Town, South Africa |
wschubert@uwc.ac.za
PROJEKTMITARBEITER | Nils Kuklik | Clive Mketsu | Mujaahida Mohammed | Edukondalu Mullapudi | Lilia Polle
| Donné Simpson | Jason Stark
In der Arbeitsgruppe „Molekulare Wirt-Pathogen Interaktionen“
(MHPI) befassten wir uns mit den molekularen Details
menschlicher Abwehrmechanismen gegen eindringende
Pathogene (angeborene Immunität) und den molekularen
Strategien der pathogenen Mikroorganismen, die Menschen
infi zieren.
Die Virulenzfaktoren InlJ und Auto aus Listeria monocytogenes
Das Bakterium L. monocytogenes kann Menschen
nach dem Verzehr kontaminierter Lebensmittel infi zieren.
Für die Überwindung der Darmschranke, wie auch für alle
folgenden Schritte des Infektionszyklus, besitzt L. monocytogenes
hochspezifi sche Proteine, die es präzise koordiniert
produziert und sezerniert. Um die Funktionsweise einiger
für die Infektion wichtigen Faktoren auf submolekularer
Ebene zu erläutern, haben wir den Zusammenhang zwischen
Raumstruktur und physiologischer Funktion untersucht.
„Auto“ Die bakterielle Zellwand der grampositiven Bakterien
ist eine komplexe äußere Hülle, die Zellen ihre Form verleiht
und dem Innendruck des Zytosols entgegenwirkt. Sie besteht
aus langen, unverzweigten Ketten alternierender Zuckerreste
(N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure), die durch
kurze Peptide quervernetzt werden. Zellwachstum, Zellteilung
und zahlreiche weitere Prozesse erfordern jedoch einen
ständigen Umbau der Zellwand. An diesem Prozess beteiligte
Enzyme werden als Autolysine bezeichnet.
Untersuchungen ergaben, dass lediglich ein Autolysin an der
Pathogenese von Listeria monocytogenes beteiligt ist. Dieses
Autolysin, als „Auto“ bekannt, wird für die Invasion in zahlreiche
eukaryotischen Zelllinien benötigt.
Links: Kristallstruktur des Autolysins Auto aus L. monocytogenes
als Schleifenmodell mit transparenter Oberfl äche. Das
aktive Zentrum des Pro-Enzyms wird durch eine N-terminale
α-Helix (rot) blockiert. Rechts: Kristallstruktur des InlJ (rechts)
mit hervorgehobener Cysteinleiter aus reduzierten Cysteinen
im hydrophoben Kern (links, Schwefel - gelb). Grafi ken: HZI
Auto ist eine N-Acetylglucosaminidase, die das Zuckerrückgrat
der Zellwand spaltet, indem es die Verknüpfung
zwischen Zuckereinheiten hydrolysiert. Die Raumstruktur
von Auto zeigt, dass es die Grundstruktur der lytischen
Transglycosylasen und einiger Lysozyme teilt, obgleich sie
unabhängige chemische Reaktionen katalysieren. Durch den
gezielten Austausch einzelner Aminosäuren konnten wir die
Glutamate Glu122 und Glu156 als katalytisch aktive Aminosäuren
identifi zieren. Zudem wird das native Auto durch
eine eigene N-terminale α-Helix inhibiert. Die spezifi sche
N-terminale Spaltung von Auto durch eine noch unbekannte
Protease als Folge eines (extrazellulären) Signals, würde daher
eine rasche und koordinierte Aktivierung dieses Enzyms
erlauben. Darüber hinaus besitzt Auto ein überaus saures
pH-Optimum von 4, wobei es bei einem pH von 7 weitgehend
inaktiv ist. Das legt nahe, dass Auto an der koordinierten
Befreiung des Erregers aus dem angesäuerten Phagolysosom
beteiligt ist. Durch seine Aktivierung und die poröse
Zellwand ermöglicht es die Freisetzung weiterer Virulenzfaktoren
wie Listeriolysin. Deren Aktivität wiederum würde die
phagolysosomale Membran zerstören, wodurch der pH auf
physiologische Werte ansteigt und Auto inaktiviert würde.
InlJ Eine Untergruppe der listeriellen Virulenzfaktoren sind
die Internaline. Wie der Name bereits impliziert, ist Internalin
bzw. InlA für die erzwungene Aufnahme des Bakteriums
in Epithelzellen des menschlichen Dünndarms ausschlaggebend.
Erst kürzlich wurde InlJ als weiteres Mitglied dieser
Familie identifi ziert. InlJ vermittelt die Adhäsion des Bakteriums
an die Wirtszelloberfl äche. InlJ unterscheidet sich von
anderen Familienmitgliedern, durch die Verringerung seiner
16 LRR-Einheiten von 22 auf 21 Aminosäuren. Außerdem ist
häufi g eine die LRR-Einheit defi nierende hydrophobe Aminosäure
durch ein Cystein ersetzt. Die Kristall struktur dieses
Proteins zeigt, dass diese Cysteine linear angeordnet eine Leiter
ausbilden. Hier liegt eine Anomalie vor: ein extrazelluläres
(oxidierendes Milieu) Protein enthält eine große Anzahl redu -
zierter Cysteinreste. Dies wiederum impliziert, dass die Cysteine
eine deutliche Stabilisierung der Struktur bewirken müssen,
die ein Entfalten und die Oxidation der Cysteine verhindert.
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