Adhäsion von Chlamydia pneumoniae mit der Wirtszelle

Die Arbeitsgruppe Hegemann vom Institut für funktionelle Genomforschung der Mikroorganismen der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf beschäftigt sich u. a. mit der „Interaktion von Chlamydia pneumoniae mit der Wirtszelle: Adhäsion, Internalisierung und die intrazelluläre Differenzierung“. Es folgt ein Text der Arbeitsgruppe zu diesem Thema:

Biologisch-Medizinischer Hintergrund

Chlamydien sind Gram-negative, obligat intrazelluläre Bakterien, welche ein breites Erkrankungsspektrum bei Mensch und Tier hervorrufen. Ein wesentliches Charakteristikum aller Chlamydien ist ihr einzigartiger biphasischer Entwicklungszyklus. Daher werden die Chlamydien in eine eigene Ordnung, Chlamydiales, geführt. Es sind 4 Chlamydien-Arten bekannt: Chlamydia trachomatis, Chlamydia pneumoniae, Chlamydia psittaci und Chlamydia pecorum. Die Spezies C. pneumoniae wurde erst Mitte der achtziger Jahre entdeckt und 1989 von den anderen drei Chlamydien-Arten abgegrenzt. Chlamydiale Infektionen lösen ein großes Spektrum humaner Erkrankungen aus. So sind C. trachomatis Infektionen beim Menschen die häufigste Ursache für sexuell übertragbare Erkrankungen sowie für die Entstehung des Trachoms, welches bei Nichtbehandlung zur Erblindung führt. Infektionen mit C. pneumoniae sind verantwortlich für zirka 10% aller Pneumonien und 5% aller Bronchitis- und Sinusitis-Fälle. Seit kurzem wird auch ein Zusammenhang zwischen einer Infektion mit C. pneumoniae und einer Vielzahl weiterer, speziell auch chronischer Erkrankungen wie Atherosklerose, Asthma und dem Reiter‘s Syndrom diskutiert. In diesen Fällen steht der Nachweis eines kausalen Zusammenhanges allerdings immer noch aus. Speziell für Herzerkrankungen gibt es erste Hinweise auf eine Verbindung zur Chlamydien-Infektion durch antigenes Mimikry.

Die Chlamydien durchlaufen in ihrem Entwicklungszyklus zwei Differenzierungsprozesse, deren Endpunkte charakterisiert sind durch 2 funktional und morphologisch distinkte Zelltypen. Die infektiöse, extrazelluläre Entwicklungsform wird Elementarkörperchen (EB oder Elementary Body) genannt, ist nur zirka 0.3µm groß, trägt ein stark kondensiertes Genom und zeigt keine messbare metabolische Aktivität. Die intrazelluläre, replikative Entwicklungsform nennt man Retikularkörperchen (RB oder Reticulate Body); diese sind zirka 1µm groß und gekennzeichnet durch eine aufgelockerte Chromatinstruktur, metabolische Aktivität und das Fehlen von Infektiosität. Der chlamydiale Entwicklungszyklus wird initiiert durch Aufnahme eines EBs durch die eukaryotische Wirtszelle nach dem sog. Zipper-Mechanismus, der die Beteiligung bakterieller Liganden und Wirtszellrezeptoren fordert. Allerdings wird für die chlamydiale Infektion je nach Spezies und Zelltyp sowohl Phagozytose wie auch Rezeptor-vermittelte Endozytose diskutiert. Die internalisierten Chlamydien verbleiben während ihres gesamten Entwicklungszyklus in der Membran-umhüllten Vakuole (Phagosom), welche Einschlusskörper (Inclusion) genannt wird und nicht mit Lysosomen fusioniert. Kurz nach Internalisierung beginnen sich die EBs zu reorganisieren und differenzieren zu RBs, welche dann wachsen und sich durch Querteilung vermehren. Später im Entwicklungszyklus stoppt die Vermehrung der RBs in den Einschlusskörpern und die RBs beginnen eine Rückdifferenzierung zu EBs, welche dann durch Lyse oder Exozytose aus der eukaryotischen Wirtszelle freigesetzt wird, um Nachbarzellen neu zu infizieren. Alle Chlamydien-Arten durchlaufen einen ähnlichen Entwicklungszyklus. Die Signale, welche die Differenzierung vom EB zum RB sowie vom RB zum EB auslösen, sind unbekannt. Ergebnisse Die Adhäsion von C. pneumoniae an die Wirtszelle ist ein pathogenetisch sehr wichtiger Schritt. Der Ausgangspunkt für unsere gegenwärtigen Arbeiten war die Frage, ob und gegebenenfalls welche Rolle Glykosaminoglykane (GAG) auf der eukaryotischen Zelloberfläche am Adhäsionsprozess von C. pneumoniae an die Zielzelle spielen. Diese GAG-Strukturen sind als spezifische Wirtszell-Rezeptoren für die Wechselwirkung mit einer Reihe von Mikroorganismen, beispielsweise Neisseria gonorrhoeae beschrieben worden. Wir konnten zeigen, dass C. pneumoniae für eine effiziente Infektion an ein Heparansulfat-ähnliches GAG bindet, welches sich auf der Oberfläche der Wirtszelle befindet.

Dieses Modell der C. pneumoniae Adhäsion basiert auf den folgenden experimentellen Befunden:

  1. Heparansulfat und Heparin vermindern kompetitiv und dosisabhängig die Infektiosität von C. pneumoniae.
  2. Heparansulfat und Heparin vermindern kompetitiv und dosisabhängig die Bindung der EBs an die Hep2-Zellen.
  3. Eine enzymatische Entfernung von Heparansulfat von der Oberfläche der Zielzelle führt zu einer drastischen Reduktion der Infektionsrate des Erregers.
  4. Durch eine Vorbehandlung von C. pneumoniae mit Heparin kann die Infektiosität des Erregers deutlich reduziert werden, was darauf schließen lässt, dass sich eine Glykosaminoglykan-bindende Komponente auf der Oberfläche des Erregers befindet.
  5. CHO-Mutantenzellinien, die Defekte in der Heparansulfatbiosynthese aufweisen, können wesentlich schlechter mit C. pneumoniae infiziert werden als die entsprechende Wildtypzellinie. Die reduzierte Infektionseffizienz der CHO-Zellinien konnte durch Vorbehandlung mit exogenem Heparin behoben werden, was ebenfalls auf Heparansulfat-ähnliche GAG-Strukturen als zellulären Rezeptor hinweist.

Ziele

(A) In den bisherigen Arbeiten konnten wir Glykosaminoglykanstrukturen (GAGs) auf der Wirtszelle als notwendiges Element zur Adhäsion und Internalisierung von C. pneumoniae identifizieren. Zukünftig sollen auf diesen Befund aufbauend Adhäsionsproteine von C. pneumoniae identifiziert und funktional charakterisiert werden. Hierbei werden chlamydiale Proteine biochemisch aufgereinigt, über 2-D-Proteingele getrennt, mittels Massenspektroskopie (MALDI TOF) analysiert und durch Vergleich mit der Genom-Datenbank von C. pneumoniae identifiziert. Über einen komplementierenden funktionellen genetischen Ansatz wollen wir durch Präsentation chlamydialer Proteine auf der Hefeoberfläche chlamydiale GAG-abhängige und -unabhängige Adhäsionsproteine identifizieren. Die funktionelle Charakterisierung der Kandidatenproteine wird zur Identifizierung von chlamydialen Proteinen führen, die in der Adhäsion und/oder der Internalisierung beteiligt sind. Der genetische Ansatz erlaubt uns auch die Suche nach den Oberflächenproteinen der eukaryotischen Zelle, welche für das chlamydiale Adhäsions- und Internalisierungsgeschehen benötigt werden. (Dissertation zur Charakterisierung des OmcB Adhäsins)

(B) In einem weiteren Schwerpunkt unseres Projektes führen wir eine genomweite Transkriptanalyse von C. pneumoniae während des Infektionszyklus durch. Nach Aufbau eines eigenen DNA-Microarray-Chips bestimmen wir zunächst den Transkriptstatus des metabolisch nicht-aktiven Elementarkörperchens, um dann die frühe transkriptionelle Reaktion von C. pneumoniae auf die Adhäsion und Internalisierung zu erfassen. Dies sollte zur Identifizierung entwicklungsspezifischer bakterieller Proteine führen, die in dieser frühen Phase der Infektion benötigt werden. Ihre Funktionsanalyse steht dann im Zentrum der weiteren längerfristigen Arbeiten. Die Transkriptanalyse sollte auch zur Identifizierung von Proteinen führen, welche in der frühen Aktivierung der eukaryotischen Signaltransduktionswege und damit der adaptiven Differenzierung der Wirtszelle involviert sind. Das langfristige Ziel ist die detaillierte Beschreibung des chlamydialen und Wirtszell-Transkriptoms während des kompletten biphasischen Entwicklungszyklus.

Der Originaltext kommt von der Webseite des Instituts für Funktionelle Genomforschung der Mikroorganismen. Dort findet man neben anderen Abbildungen zu C. pneumoniae auch eine interessante Abbildung über den Vermehrungszyklus.