Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Infektion und Immunität | Mikrobielle Pathogenese 71
01.3 Molekulare Mechanismen des intrazellulären Transports,
des Überlebens und der Persistenz von Streptokokken
PROJEKTLEITER | Priv-Doz. Dr. Manfred Rohde | Abteilung für Medizinische Mikrobiologie | mro@helmholtz-hzi.de
PROJEKTMITARBEITER | Katja Branitzki-Heinemann
Streptococcus pyogenes, ein Gruppe A-Streptococcus (GAS),
ist der Hauptverursacher von Streptokokken-Infektionen beim
Menschen. Diese reichen von leichten bis zu schweren, sogar
lebensbedrohlichen Infektionen, wie z.B. der nekrotisierenden
Fasziitis. Streptokokken können auch rezidivierende
Infektionen, wie z.B. Erysipel und Tonsillitis, verursachen.
Dieses Phänomen wird als „carrier-Status“ der Streptokokkeninfektion
beschrieben. Es ermöglicht, dass GAS nicht nur
intrazellulär Überleben kann, sondern auch einer längeren
Antibiotikabehandlung widerstehen kann. Die Untersuchung
des „carrier-Status“ der Streptokokken wurde in der Vergangenheit
mehr oder weniger vernachlässigt. Über die beteiligten
Mechanismen und Faktoren ist nicht viel bekannt.
Invasions- und Überlebensmechanismen der Streptokokken
Es konnte nachgewiesen werden, dass die Fibronektin-bindenden
Proteine der Streptokokken eine wichtige Rolle bei
der Adhäsion und Invasion spielen. Das Streptokokken-Fibronektin-Bindungsprotein
(SfbI) aus Gruppe A-Streptokokken
vermittelt eine Adhäsion und Invasion durch Einstülpungen
der Membran (A) in die Wirtszelle. Beteiligt sind Caveolae,
und die Streptokokken verbleiben in einem Kompartiment,
welches als Caveosom bezeichnet wird. SfbI benutzt dazu Fibronektin
als Brückenmolekül zur Bindung an α 5 β 1 -Integrine.
Durch die Nutzung dieses Caveolae-vermittelten Weges
umgehen die SfbI-tragenden Streptokokken den lysosomalen
Abwehrmechanismus der Wirtszelle, da es zu keiner Fusion
mit Lysosomen kommt.
Gruppe C-Streptokokken exprimieren das Protein GfbA an der
Oberfl äche, das ebenfalls Fibronektin bindet und dann mit
den α 5 β 1 -Integrinen interagiert. Jedoch zeigen invadierende
Streptokokken das sogenannte „membrane ruffl ing“. Das sind
Umlagerungen des Wirtszellzytoskeletts, obwohl ähnliche
Mengen Fibronektin wie bei den SfbI-tragenden Stämmen gebunden
werden (E). Die GfbA-exprimierenden Streptokokken
folgen dem klassischen, endozytischen Weg mit der Fusion
von Phagosom mit dem Lysosom. Die heterologe Oberfl ächenexpression
des GfbA-Proteins in dem nicht pathogenen S.
gordonii Stamm hat gezeigt, dass allein GfbA für den andersartigen
morphologischen Invasionsmechanismus verantwortlich
ist. Die Sequenzierung der GfbA-Gene zeigt, dass nur
der C-terminale Teil eine starke Ähnlichkeit mit SfbI aufweist,
während der N-terminale Bereich nur zu 60% ähnlich ist.
Herstellung von chimären SfbI- und GfbA-Proteinen
Anhand der Sequenzierdaten wurde die aromatische Domäne
im N-terminalen Bereich als Vermittler des anderen Invasionsweges
vermutet. Deshalb wurde einerseits ein GfbA-
Protein ohne die aromatische Domäne hergestellt (GfbApro).
Andererseits wurde die aromatische Domäne im SfbI-Protein
durch die aromatische Domäne von GfbA ersetzt (SfbIGaro).
Die GfbApro vermittelte Invasion zeigte nun wieder die
typische Caveolae-vermittelte Invasion (F) ohne Fusion mit
den Lysosomen (G). Die SfbIGaro vermittelte Invasion zeigte
dagegen nun „membrane ruffl ing“ (B) mit Lysosomenverschmelzung
(C). Mit Hilfe von SfbIGaro-Goldnanopartikeln
konnten wir nachweisen, dass die SfbIGaro-vermittelte
Bindung an Fibronektin, wie ebenfalls die GfbA-vermittelte,
nicht zu einer Integrin-Klusterbildung führt (D). Die GfbApro
vermittelte Bindung jedoch schon (H). Damit wurde erstmalig
in einem Fibronektin-bindenden Protein eine biologische
Funktion der aromatischen Domäne gezeigt. Weiterhin
gibt es erste Hinweise darauf, dass Streptokokken, die mit
„membrane ruffl ing“ invadieren, immer mit den Lysosomen
zu einem Phagolysosom fusionieren.
A) SfbI-exprimierende Streptokokken dringen in Wirtszellen
durch die Ausbildung von Einstülpungen der Wirtszellmembran
ein. E) GfbA-exprimierende Streptokokken invadieren in Wirtszellen
über die Ausbildung von „membrane ruffl e“, Umlagerungen
des Zytoskeletts der Wirtszelle. B) heterologe Expression
von SfbI mit der aromatischen Domäne von GfbA (SfbIGaro)
auf der Zelloberfl äche von S. gordonii führt ebenfalls zu einer
Invasion über „membrane ruffl e“ und einer nachfolgenden
intrazellulären Fusion mit Lysosomen; Streptokokken sind rot
eingefärbt, während Lysosomen mit Lamp-1 grün gekennzeichnet
sind (C). F) die Deletion der aromatischen Domäne in GfbA
(GfbApro) führt zu einer Invasion über Einstülpungen wie für
SfbI beschrieben und es erfolgt keine Fusion mit den Lysosomen
(G). D) die Bindung von SfbIGaro über Fibronektin an Integrine
führt zu keinem Integrin-clustering, nur einzelne Goldpartikel
sind detektierbar (Pfeile), wohingegen GfbApro ein Integrin-clustering
aufweist, große Goldaggregate (H, Pfeile). Fotos: HZI, Rohde
Nerlich, A., Rohde, M., Talay, S., Genth, H., Just, I., Chhatwal, G.S. (2009) Invasion of endothelial
cells by tissue invasive M3 type Group A streptococci requires Src kinase and activation
of Rac1 by a PI3-kinase independent mechanism. J. Biol.Chem., 284, 20319-20328