Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Mikrobielle Pathogenese 69
01.1 Strukturelle Analyse von Virulenzfaktoren
PROJEKTLEITER | Prof. Dr. Dirk Heinz | Abteilung für Molekulare Strukturbiologie | dih@helmholtz-hzi.de
PROJEKTMITARBEITER | Davide Ferraris | Thomas Heidler | Dr. Christian Kambach | Dr. Björn Klink |
Dr. Jörn Krauße | Dr. Anja Menzel | Nick Quade | Dr. Stefan Schmelz | Ulrich Wiesand
Pathogene Bakterien nutzen ein Arsenal an Virulenzfaktoren,
um natürliche Barrieren des Wirtes zu überwinden, Abwehrmechanismen
zu blockieren oder zu umgehen und um Wirtsprozesse
zu ihrem eigenen Vorteil umzuprogrammieren. Da
diese Faktoren meist in der Wirtszelle fehlen, sind sie potenzielle
Zielmoleküle für neue Antibiotika. Das Ziel dieses
Projektes ist es, durch Röntgenstrukturanalyse mikrobieller
Virulenzfaktoren im Komplex mit ihren Wirtsrezeptoren ein
möglichst präzises Bild der Pathogen-Wirt-Interaktionen
während des Infektionsprozesses zu gewinnen.
Listeria InlB aktiviert die humane Rezeptor-Tyrosin-
Kinase Met durch Dimerisierung L. monocytogenes ist ein
gefährlicher Lebensmittelkeim, der in Neugeborenen, älteren
Menschen und immungeschwächten Individuen Listeriose
auslösen kann – eine systemische Krankheit mit hoher
Sterblichkeitsrate. Die Fähigkeit des Bakteriums, Wirtszellbarrieren
zu überwinden, hängt essenziell von zwei Invasinen
ab, die an der Oberfl äche des Bakteriums lokalisiert
sind: den Internalinen A und B (InlB). InlB wechselwirkt
dabei mit der Rezeptor-Tyrosin-Kinase Met, dem natürlichen
Rezeptor des Hepatozyten-Wachstumsfaktors (HGF). Aus
der Struktur des InlB/Met Komplexes, die wir im Jahre
2007 aufklären konnten, ging der Mechanismus der Met-
Aktivierung noch nicht zweifelsfrei hervor. In einer zweiten
Kristallform des Komplexes konnten wir ein Met/InlB/InlB/
Met-Dimer identifi zieren, das mit einer Rezeptor-Aktivierung
kompatibel ist. Das InlB-Dimer-Arrangement konnte auch in
verschiedenen InlB-Kristallformen gefunden werden. Durch
Disulfi d-Crosslinking von InlB (Abb. 1) konnten wir kürzlich
die Rolle dieser InlB-Dimerisierung für die Met-Aktivierung
bestätigen. Das kovalent verbrückte InlB-Dimer zeigte sogar
eine stärkere Met-Aktivierung als HGF. Im Gegensatz dazu
führte die Schwächung der InlB-Wechselwirkungsoberfl äche
durch Einführung gegenüberliegender, positiver Ladungen
zu einer vollständigen Inaktivierung des Rezeptors.
Abb. 1. Struktur vom InlB Dimer (blau), das durch zwei Disulfi
dbrücken kovalent verbunden ist (gelbe Verbindung in einem
Feld hoher Elektronendichte (graues Netz)).
Eine neue Klasse bakterieller Guanin-Austausch-
Faktoren für humane GTPasen Die Dynamik des Aktin-
Zytoskeletts ist essenziell für Zellteilung, Motilität oder
interzelluläre Kommunikation. Sie ist strikt über zahlreiche
Signaltransduktionswege reguliert, an denen Hunderte
verschiedener Aktin-bindender Proteine beteiligt sind. Die
meisten Signaltransduktionswege konvergieren auf kleinen
GTPasen der Rho-Familie, die als molekulare Schalter
verschiedene Aktin-Filament-Strukturen induzieren. Rho
GTPasen sind wichtige Ziele von Pathogenen, welche die Signaltransduktionswege
über Virulenzfaktoren beeinfl ussen,
die wiederum die Wirkung Rho-interagierender Proteine
simulieren. Shigella fl exneri IpgB1 und IpgB2 sowie Map
aus pathogenen E. coli sind prototypische Mitglieder einer
faszinierenden neuen Familie bakterieller Effektoren, die
ursprünglich als GTPase-Nachahmer klassifi ziert wurden.
Sie induzieren Filopodien (Map) oder Lamellipodien und
Stressfasern, was für IpgB1 und IpgB2 jeweils Rac1 bzw.
RhoA-Aktivität anzeigt. Wir haben die Kristallstrukturen
von IpgB2 und seines Komplexes mit humanem RhoA gelöst
(Abb. 2). Sie belegen, dass IpgB2 ein Aktivator (Guaninnukleotidaustauschfaktor,
GEF) und kein Nachahmer von
RhoA ist. Strukturen des Komplexes in verschiedenen
Nukleotid-gebundenen Zuständen enthüllten den molekularen
Mechanismus der GDP-Dissoziation, der Grundvoraussetzung
für die nachfolgende GTP-Bindung an RhoA.
Abb. 2. Struktur des Komplexes zwischen IpgB2 (blau) und
RhoA (braun). GDP ist orange gefärbt und das GDP-koordinierende
Mg 2+ -Ion als gelbe Kugel dargestellt. Die Switch
(Schalter)-I- Region von RhoA ist als gelber Loop (Schleife)
und die Switch-II-Region als grüner Loop dargestellt. Der
„katalytische Loop“ von IpgB2 ist rot.
Ferraris, D. M., Gherardi, E., Di, Y., Heinz, D. W. & Niemann, H. N. (2010). Ligand-mediated
dimerization of the Met receptor tyrosine kinase by the bacterial invasion protein
InlB. Journal of Molecular Biology 395, 522-532.
Klink, B. U., Barden, S., Heidler, T. V., Borchers, C., Ladwein, M., Stradal, T. E., Rottner,
K. & Heinz, D. W. (2010). Structure of Shigella IpgB2 in complex with human RhoA: Implications
for the mechanism of bacterial GEF-mimicry. Journal of Biological Chemistry
285, 17197-17208.