Streptococcus pneumoniae ist die häufigste Ursache für ambulant erworbene Pneumonien weltweit. Daher müssen die Wirts-Pathogen-Interaktionen erforscht werden, um neue Therapiestrategien zu entwickeln. In dieser Studie habe ich 1. den Typ I Interferon (IFN)-stimulierenden Signalweg des angeborenen Immunsystems in Pneumokokken-infizierten Wirtszellen sowie 2. dessen Bedeutung in der Pneumokokkenpneumonie untersucht. Humane und murine Makrophagen, aber nicht alveolare Epithelzellen, produzierten Typ I IFNs nach Infektion mit S. pneumoniae. Dieses war abhängig vom Virulenzfaktor Pneumolysin und erforderte sowohl die Phagozytose der Bakterien als auch die Ansäuerung der Endosomen. Die Induktion der Typ I IFNs wird durch einen zytosolischen Signalweg vermittelt, welcher wahrscheinlich DNA erkennt und sowohl das Adapterprotein STING als auch den Transkriptionsfaktor IRF3 aktiviert. Typ I IFNs, welche von infizierten Makrophagen gebildet wurden, regulierten die Expression von IFN-stimulierten Genen (ISGs) und Chemokinen in Makrophagen und co-kultivierten alveolaren Epithelzellen in vitro und in Mauslungen in vivo. In einem murinen Pneumoniemodell hatten die Typ I IFNs jedoch einen negativen Effekt für den Wirt. Mäuse mit einem Defekt im Typ I IFN-Rezeptor oder mit einem Knockout im Typ I und Typ II IFN-Rezeptor hatten eine signifikant geringere Bakterienlast in der Lunge und eine verminderte Reduktion der Körpertemperatur und des Körpergewichtes als wild-typ Mäuse. Diese Effekte waren nicht durch Änderungen in der Zellrekrutierung oder durch Änderungen der Zytokin-/Chemokinexpression erklärbar. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Typ I IFNs durch Pneumokokken induziert werden, aber dass sie trotz einiger positiver Effekte auf die Expression von ISGs einen negativen Gesamteffekt in einem murinen Pneumoniemodell aufweisen. Ein detailliertes Verständnis der Typ I IFN-Antwort während der Pneumokokkeninfektion kann die Entwicklung neuer Therapiestrategien unterstützen. / Streptococcus pneumoniae is the leading cause of community-acquired pneumonia world-wide. A detailed understanding of the host-pathogen interactions is required in order to foster the development of new therapeutic strategies. Here, I (I) characterized an innate immune recognition pathway that senses pneumococcal infection and triggers the production of type I interferons (IFNs), and (II) examined the role of type I IFNs in pneumococcal pneumonia in mice. Human and murine macrophages, but not alveolar epithelial cells, produced type I IFNs after infection with S. pneumoniae. This induction was dependent on the virulence factor pneumolysin, the phagocytosis of the bacteria, and the acidification of the endosome. Moreover, it appeared to be mediated by a cytosolic DNA-sensing pathway involving the adaptor molecule STING and the transcription factor IRF3. Type I IFNs produced by S. pneumoniae-infected macrophages positively regulated the expression of IFN-stimulated genes (ISGs) and chemokines in macrophages and co-cultured alveolar epithelial cells in vitro and in mouse lungs in vivo. However, in a murine model of pneumococcal pneumonia, type I IFN signaling was detrimental to the host defense. Mice deficient in the type I IFN signaling or double deficient in type I and type II IFN signaling had a significantly reduced bacterial load in the lung and a diminished reduction of body temperature and body weight compared to wild-type mice. The decreased susceptibility of the knockout mice was unlikely to be attributable to alterations in cell recruitment or cytokine/chemokine production. In conclusion, type I IFNs are induced during pneumococcal infection. However, despite their positive effects on the expression of some ISGs and chemokines, they negatively affect the outcome of pneumococcal pneumonia in an in vivo mouse model. Targeting the type I IFN system could potentially be an effective way in enhancing the immune response in patients with S. pneumoniae pneumonia.

Ein Schlüsselprozess in der Immunantwort ist die durch das proinflammatorische Zytokin Interferon-gamma (IFNg) induzierte transiente Akkumulation von neu synthetisierten defekten Proteinen, die durch Anknüpfen von Polymeren des Proteins Ubiquitin (Ub) post-translational modifiziert werden. Die Ubiquitinierung ist das Schlüsselsignal für den Abbau dieser Proteine. Die Abbauprodukte dienen unter anderem als Quelle für die Prozessierung von Antigenen. Um die frühe Immunantwort besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit die Identität und Charakteristika dieser neu synthetisierten Proteine, sowie die Topologie ihrer post-translationalen Modifizierung durch Ub untersucht. Dazu wurde die massenspektrometrischen Analyse ubiquitinierter Proteine weiterentwickelt, indem die experimentellen Konditionen auf deren Analyse optimiert wurden. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die kombinierte Verdauung der Ub-Konjugate mittels zweier Peptidasen die Identifizierung der Proteinpeptide und der Indikatorpeptide für Ubiquitinierungsstellen entscheidend verbessert. Es wurde demonstriert, dass eine selektive Isotopenmarkierung der neu synthetisierten Proteine möglich ist. Mit Hilfe dieser Methode gelang es, Veränderungen der Ub Modifikationen bezüglich der Topologie sowie quantitative Unterschiede der ubiquitinierten Proteine aus humanen HeLa-Zellen in An- und Abwesenheit von IFNg zu identifizieren. Nach Induktion durch IFNg wurden drei polyubiquitinierte, drei mono- oder polyubiquitinierte und 111 potentiell ubiquitinierte Proteine identifiziert. Diese Proteine zeigten, dass keine generelle Ubiquitinierungspräferenz für die durch IFNg verstärkt transkribierten Gene besteht. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verständnis der frühen zellulären Immunantwort und tragen zum Verständnis von Krebs- und Autoimmunerkrankungen sowie chronischen Entzündungsprozessen bei. Möglicherweise bilden sie die Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Therapien. / A key process within the immune response of organisms is the transient accumulation of newly synthesized defective proteins affected by the proinflammatory cytokine interferon-gamma(IFNg). These proteins are post-translationally modified by attachment of polymers of the protein ubiquitin (Ub), which represents the key signal for targeting them to degradation. The resulting peptides can serve as sources for antigen processing. In order to get an insight into the details of the cellular early immune response, the identity and characteristics of the newly synthesized proteins and the topology of their post-translational modification with Ub were investigated. An essential progress of the mass spectrometric approach was achieved by optimizing the experimental conditions with regard to the requirements of the analysis of the targeted proteins. In particular, it could be shown that a combined digestion of Ub-conjugates with two peptidases leads to an improved detection of protein peptides and indicator peptides for ubiquitination sites. It was shown that a selective isotopic labeling of the newly synthesized proteins was possible. With this method, a decisive step forward was made in the understanding of changes of the Ub modifications with respect to the topology and in clarifying the quantitative differences between Ub-conjugates from IFNg treated and untreated human HeLa cells. Three IFNg induced polyubiquitinated proteins, three mono- or polyubiquitinated as well as 111 potential Ub-substrates could be identified. These proteins did not show any general ubiquitination preference for genes whose transcription is enhanced in presence of IFNg. The results obtained in this work help to broaden and refine the general picture of the early cellular immune response. They contribute to the knowledge on molecular processes of cancer, autoimmune diseases or chronic inflammation and, potentially, can give hints for the continued development of corresponding therapies.