Salmonellen spp. sind invasive, intrazelluläre Pathogene, die in einem membranumhüllten Kompartiment innerhalb der infizierten Wirtszelle überleben. Wie auch andere intrazelluläre Pathogene repliziert Salmonella in dieser intrazellulären Nische, obwohl es anscheinend von sowohl extra- als auch intrazellulären Nährstoffquellen isoliert ist. Wir zeigen hier, dass intrazelluläre Salmonella den Proteinabbau des Wirts ausnutzen, um Aminosäuren in Form von Peptiden zu erhalten. Dieser spezielle, auch als Chaperon-vermittelte Autophagie bekannte, Abbauweg spielt eine Rolle im Transport zytosolischer Proteine zum Abbau im Lysosom. Ein Salmonellenmutant, der nur in Anwesenheit von Peptiden im Medium als Aminosäurenquelle wächst, wies intrazellulär eine Wachstumsrate auf, die der des Wildtyps ähnlich war. Dies deutet darauf hin, dass Peptide intrazellulär für Salmonella zugänglich sind. Wir fanden heraus, dass die Salmonella-enthaltende Vakuole (SCV, Salmonella containing vacuole) die Wirtproteine LAMP-2A und Hsc73, Kernkomponenten von CMA, anzieht, jedoch nicht lysosomale Proteine wie LAMP-2B und LIMP-2. Im Gegensatz zum Salmonellawildtyp zeigte der peptidabhängige Mutantentstamm stark verringertes Wachstum, wenn die Wirtszellen mit CMA-Inhibitoren behandelt wurde. Diese Ergebnisse zeigen einen neuen Mechanismus auf, durch den ein intrazelluläres Pathogen vom membranumhüllten Kompartiment aus Zugriff auf Cytosol der Wirtzelle zur Beschaffung von Nährstoffen hat. Wir schlagen vor, dass diese Ergebnisse eine Erklärung für die Rückfälle von persistenten Salmonellainfektionen liefern können. Des Weitern schlagen wir diesen Mechanismus als moegliches Ziel antibakterieller Therapeutika zur Bekämpfung intrazellulärer Pathogene vor. / Salmonella spp. are invasive, intracellular pathogens which survive and proliferate within a membrane-bound compartment inside infected host cells. Like other intracellular pathogens, Salmonella replicates within this intracellular niche, despite its apparent isolation from both extra- and intracellular sources of nutrients. Here, we show that intracellular Salmonella acquire amino acids in the form of peptides by co-opting the host protein degradation pathway known as chaperone-mediated autophagy (CMA) involved in the transport of cytosolic proteins to the lysosome for degradation. A mutant of Salmonella strictly dependent upon peptides in growth media as a source of amino acids, showed intracellular growth similar to the wild-type strain in host cells, indicating intracellular access to peptides. We found that the Salmonella-containing vacuole (SCV) acquires the host cell proteins LAMP-2A and Hsc73, key components of CMA, but excludes lysosomal proteins such as LAMP-2B and LIMP-2. In contrast to wild-type Salmonella, the peptide-dependent mutant strain showed a severe reduction in growth when host cells were treated with inhibitors of CMA.. These results reveal a novel means whereby an intracellular pathogen can access the host cell cytosol to acquire nutrients from within its membrane-bound compartment. We suggest these results may provide an explanation for relapse infections resulting from persistent Salmonella infections, and suggest a possible means of targeting antibacterials against intracellular pathogens.

Salmonella spp. sind fakultative intrazelluläre Pathogene, die gastrointestinale und systemische Erkrankungen in einem umfassenden Wirtsbereich, einschließlich Tier und Mensch, hervorrufen. Salmonella benötigt verschiedene Virulenzgene für die Infektion welche auf sogenannten Salmonella Pathogenitäts-Inseln (SPI) kodiert sind. Hinzu kommt, dass auch zahlreiche im Salmonella Genom verstreuten Gene an verschiedenen Aspekten von Virulenz und Pathogenese beteiligt sind. In der vorliegenden Studie wurde die Funktion eines zuvor nicht beschriebenen putativen transkriptionellen Regulators (STM0029) charakterisiert und definiert. Dieser scheint für die Abwehr von zellulären bakterizid wirkenden Verbindungen und das Überleben des Bakteriums innerhalb einer intrazellulären Nische von entscheidender Bedeutung zu sein. Die STM0029-deletierte Mutante wies eine gesteigerte Sensitivität gegenüber antimikrobiellen Peptiden und bakteriziden Verbindungen auf. Dazu zählten α-Defensin-1, β- Defensin-1, β-Defensin-2, LL-37 und Polymyxin B sowie Komponenten des Komplementsystems. Unerwartet war die Beobachtung, dass die Expression von STM0029 durch das PmrA/B Zwei Komponenten System reprimiert vorlag, während das PhoP/Q Zwei Komponenten System keinen Einfluss auf die Expression von STM0029 zu scheinen hat. Beide Komponent Systeme spielen bekanntlich eine entscheidende Rolle bei der Expressionsregulation von Genen die für das intrazelluläre Überleben von Salmonella wichtig sind. Bemerkenswert ist, dass ein Set von Genen welche an der Biosynthese und/oder der Modifikation für das LPS O-Antigen sowie des Peptidoglykans in der bakteriellen Zellwand beteiligt ist, im STM0029 Deletionshintergrund herab reguliert vorlag. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass das STM0029 Genprodukt die Persistenz des Pathogen in Wirtszellen beeinflusst. Möglicherweise geschieht dies durch das Umgehen von wirtseigenen Abwehrmechanismen. / Salmonella spp. are facultative intracellular pathogens, which cause gastrointestinal and systemic diseases in a broad range of hosts including animals and humans. In addition to virulence genes clustered within pathogenicity islands, numerous additional genes scattered throughout the genome are also involved in various aspects of Salmoenlla virulence and pathogenesis. In this study, I identified a Salmonella putative transcriptional regulator encoded by a previously uncharacterized open reading frame designated STM0029. Deletion of STM0029 altered the expression of genes involved in both the resistance to host bactericidal challenges, and bacterial cell wall biosynthesis in S. Tyhpimurium. The ΔSTM0029 strain showed a defect in the resistance to host antimicrobial peptides, including α-defensin-1, β-defensin-1, β-defensin-2, LL-37, and polymyxin B as well as serum challenges compared to the wildtype. Unexpectedly, expression of STM0029 was found to be repressed by the PmrA/B two component system, but appeared to be independent of the PhoP/Q two component system, both of which are well-known regulatory systems involved in the regulation of expression of genes involved in Salmonella intracellular survival. Notably, the expression of a set of genes involved in bacterial LPS O-antigen and peptidoglycan biosyntheses and modifications showed decreases in the absence of STM0029. These experimental results indicate that the STM0029 gene product in S. Typhimurium contributes to resistance against host cell defense mechanisms, likely through regulation of genes involved in LPS O-antigen and peptidoglycan biosynthesis and modifications.

In der vorliegenden Arbeit wurde in einem in vitro-Modell mit porcinen intestinalen Epithelzellen (IPEC-J2) der Einfluss des probiotischen E. coli Nissle 1917 (EcN) auf die Infektion mit atypischen EPEC (aEPEC) untersucht. EcN reduzierte bei Vorinkubation auf IPEC-J2 die aEPEC-Infektion drastisch. Konfokale Laserscanning- und Elektronenmikroskopie zeigten, dass EcN die Adhäsion und Mikrokoloniebildung inhibierte, jedoch nicht die Ausbildung von Attaching and Effacing-Läsionen adhärenter aEPEC. Der inhibierende Effekt von EcN wurde durch dessen sehr gute Adhäsionsfähigkeit an IPEC-J2 vermittelt. Die F1C-Fimbrien wurden als wichtigster Adhäsionsfaktor von EcN identifiziert. Darüber hinaus waren auch H1-Flagellen durch Ausbildung interbakterieller Verbindungen maßgeblich an der Adhäsion des Stammes beteiligt. In gleichem Maß wie die Vorinkubation von EcN reduzierte die Koinkubation seines Kulturüberstandes die aEPEC-Infektion, was auf die Abgabe eines inhibierenden Faktors in den Kulturüberstand schließen lässt. Dieser Faktor wurde auch von anderen pathogenen sowie nicht pathogenen E. coli-Stämmen in Schüttelkultur gebildet und scheint deshalb nicht spezifisch für EcN zu sein. Jedoch ermöglichte erst die gute Adhäsionsfähigkeit von EcN auf der Epithelzelloberfläche die Abgabe ausreichender Mengen des Inhibitors und eine Beeinflussung der aEPEC-Infektion. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass durch EcN die initiale Anheftung von aEPEC an die Wirtszelle unterbunden wird. Der inhibierende Effekt von EcN auf die aEPEC-Infektion war zeitabhängig. Im Gegensatz zur Vorinkubation erhöhten Ko- und Nachinkubation von EcN die Adhäsion von aEPEC und hatten einen geringeren inhibierenden Effekt auf die Mikrokoloniebildung. Dieser gegensätzliche Effekt auf die Adhäsion von aEPEC wird möglicherweise von einem zweiten Faktor hervorgerufen. Dieser scheint nur dann wirksam zu sein, wenn der inhibierende Faktor in zu geringer Konzentration oder erst nach Adhäsion von aEPEC vorliegt. / In this study, the effects of the probiotic E. coli strain Nissle 1917 (EcN) on host cell infection with atypical enteropathogenic E. coli (aEPEC) were investigated in an in vitro porcine intestinal epithelial cell model (IPEC-J2). In pre-incubation experiments, EcN drastically reduced the infection efficiencies of aEPEC. Using confocal laser scanning microscopy and scanning electron microscopy, it was shown that EcN inhibited the attachment and formation of microcolonies, but not the formation of attaching and effacing lesions by adherent aEPEC. The inhibitory effect was mediated by the adherent properties of EcN to epithelial cells. The F1C fimbriae were identified as the most important adhesion factor of EcN in vitro. Furthermore, the H1 flagellae were also shown to be involved in the adhesion of EcN, serving as bridges between bacterial cells. Co-incubation of culture supernatants of EcN reduced the infection efficiencies of aEPEC to the same extent as in pre-incubation with EcN bacteria, indicating the secretion of an inhibitory factor by EcN. This factor was also secreted by other pathogenic and non-pathogenic E. coli strains in shaking culture and therefore does not appear to be specific for EcN. However, the outstanding ability of EcN to adhere to epithelial cells largely contributes to the secretion of sufficient concentrations of this inhibitory factor und to the influence on the aEPEC infection. The results suggest that EcN interferes with the initial adhesion of aEPEC to host cells. The inhibitory effect of EcN was found to be time-dependent. In contrast to pre-incubation experiments, co- and post-incubation of EcN actually increased the adhesion efficiencies of aEPEC and showed only minor effects on microcolony formation. This second effect of EcN on aEPEC adhesion, possibly due to a second factor, appears only to be effective when the putative inhibitory factor is either present at low concentrations or after aEPEC is already adherent to host cells.