Wie das pathogene Bakterium Neisseria meningitidis kolonisiert auch Neisseria lactamica als Kommensale den oberen Nasopharynx des Menschen. Penicillin G ist ein first-line-Therapeutikum gegen Meningokokkeninfektionen. Reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Penicillin wird bei Meningokokken durch Mutationen im penA-Gen verursacht. Horizontaler Gentransfer zwischen den verschiedenen Neisseria spp. wurde auch für das penA-Gen beschrieben. Ziel dieser Arbeit war daher eine phänotypische und genotypische Analyse der Penicillinresistenz von N. lactamica. Aus den Versuchen sollten Prognosen über die zukünftige Resistenzentwicklung von Meningokokken abgeleitet werden. Die phänotypische Analyse von 123 N. lactamica-Stämmen (MIC [Minimum inhibitory concentration]-Bereich: 0,064 – 2,0 µg/ml, Median: 0,38 µg/ml) und 129 N. meningitidis- Stämmen (MIC-Bereich: 0,016 – 0,25 µg/ml, Median: 0,064 µg/ml) zeigte signifikant höhere MIC-Werte gegenüber Penicillin G bei den N. lactamica-Stämmen als bei den untersuchten Meningokokken. Bei Meningokokken sind Polymorphismen (fünf spezifische Mutationen betreffend) im penA-Gen (kodiert für das PBP2 (penicillin binding protein 2)) für verminderte Penicillinsensibilität verantwortlich, weshalb der betroffene Abschnitt des penA-Gens in allen N. lactamica-Stämmen und N. meningitidis-Stämmen untersucht und mit den bekannten Allelen der penA-Datenbank verglichen wurde. Bei den 123 N. lactamica-Stämmen konnten 60 verschiedene penA-Allele nachgewiesen werden, wovon 51 neu in die internationale penA-Datenbank eingefügt werden konnten. Im Gegensatz zu Meningokokken trugen die N. lactamica-Stämme entweder drei oder fünf der für intermediär resistente Meningokokken charakteristischen Mutationen im penA-Gen. N. lactamica-Stämme mit fünf Mutationen (MIC-Bereich: 0,25 – 2,0 µg/ml, Median: 0,5 µg/ml) zeigten signifikant höhere MIC-Werte als Stämme mit drei Mutationen (MIC-Bereich: 0,064 – 0,38 µg/ml, Median: 0,125 µg/ml), aber auch als Meningokokken mit fünf Mutationen (MIC-Bereich: 0,064 – 0,25 µg/ml, Median: 0,125 µg/ml). Eine phylogenetische Analyse aller in der penA-Datenbank hinterlegten Allele zusammen mit den 51 neuen dieser Studie ergab, dass die Allele mit fünf Mutationen unabhängig von der Spezies eine gemeinsame phylogenetische Linie bildeten, während sowohl die Allele mit drei Mutationen (N. lactamica) als auch die ohne Mutationen (N. meningitidis) jeweils eine separate phylogenetische Gruppe formten. Im Rahmen von in vitro-Transformationen mit chromosomaler DNA von N. lactamica konnte der MIC-Wert des Penicillin-sensiblen Meningokokkenstamms 14 in einem single-step-Ereignis durch Übernahme des betreffenden penA-Gens von N. lactamica erhöht werden. Allerdings konnten nur MIC-Werte erreicht werden, die mit intermediär-sensiblen Meningokokken vergleichbar waren und somit weit unter den MIC-Werten der benutzten N. lactamica-Stämme lagen. Dieser Befund legt nahe, dass erhöhte MIC-Werte bei N. lactamica wie auch bei Meningokokken mit Mutationen in der Transpeptidaseregion des PBP2 assoziiert sind. Jedoch sind die im Vergleich zu Meningokokken generell höheren MIC-Werte bei N. lactamica auf andere Faktoren zurückzuführen, die bei N. lactamica eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber Penicillin bedingen. In den in vitro-Experimenten der vorliegenden Studie konnten diese Faktoren nicht auf Meningokokken übertragen werden. Demnach kann eine Co-Kolonisation mit N. lactamica zwar die MIC-Werte von Meningokokken erhöhen, das Erreichen von bei N. lactamica beobachteten Resistenzniveaus ist allerdings auf diesem Wege nicht möglich. Es ist somit nicht zu befürchten, dass Meningokokken – wie bei Pneumokokken beobachtet – über kommensale Spezies der gleichen Gattung eine massive Reduktion der Empfindlichkeit gegenüber Penicillin entwickeln werden. / Neisseria lactamica colonises the human upper nasopharynx together with the pathogen bacteria Neisseria meningitidis. Penicillin G remains a first line therapy against meningococcal disease. Reduced penicillin susceptibility in N. meningitidis is caused by mutations in penA-gene. Horizontal gene transfer between Neisseria spp. has been described for the penA-gene as well. The aim of this study was to provide a phenotypic and genotypic analysis of penicillin resistance in N. lactamica. Moreover, implications about future developments of penicillin resistance in meningococci should be derived. A phenotypic analysis of 123 N. lactamica-isolates (MIC [Minimum inhibitory concentration]-range: 0.064 – 2.0 µg/ml, median: 0.38 µg/ml) and 129 N. meningitidis-isolates (MIC-range: 0.016 – 0.25 µg/ml, median: 0,064 µg/ml) showed significantly higher MIC values in N. lactamica. Five specific polymorphisms in penA-gene (encoding for PBP2 (penicillin binding protein 2)) are responsible for reduced penicillin susceptibility in meningococci. Therefore the penA-gene of all isolates in this study was analysed and compared with the registered alleles in the penA-database. Sixty different penA-alleles were found in the 123 N. lactamica-isolates of this study. Fifty-one of these alleles could not be found in the penA-database and were added to the database during this study. Unlike N. meningitidis, the analysed N. lactamica-isolates harbored either three or five of the mutations in penA-gene, which are typical for intermediate susceptible meningococci. N. lactamica-isolates with five mutations (MIC-range: 0.25 – 2.0 µg/ml, median: 0.5 µg/ml) showed significantly higher MIC-values than N. lactamica-isolates with three mutations (MIC-range: 0.064 – 0.38 µg/ml, median: 0.125 µg/ml), but also than meningococci with five mutations (MIC-range: 0.064 – 0.25 µg/ml, median: 0.125 µg/ml). A phylogenetic analysis of the 51 new alleles in this study together with all alleles of the penA-database showed, that alleles with five mutations grouped together independently of the species they came from, whereas alleles with three mutations (N. lactamica) as well as alleles without mutations (N. meningitidis) formed separate phylogenetic lines. In vitro-transformations with chromosomal DNA from N. lactamica could raise the MIC-value of the susceptible meningococcus a14 in a single step event by receiving the penA-allele from N. lactamica. However, the MIC-values observed in these transformants were only comparable to those in intermediate susceptible meningococci but considerably below the values of the N. lactamica-isolates used for the transformation. The results of this study showed that high MIC-values in N. lactamica as well as in N. meningitidis are associated with mutations in the transpeptidase region of PBP2. However, the generally higher MIC-values in N. lactamica must be attributed to other factors. These factors could not be transferred to meningococci in this study. As a result of this study it can be stated that co-colonisation with N. lactamica might raise MIC-values in N. meningitidis. However, considerable reductions of penicillin susceptibility by horizontal gene transfer from commensal spezies of the same genus (as observed in pneumococci) cannot be expected for N. meningitidis.

Die Interaktion mit Gehirnendothelzellen stellt ein zentraler Schritt in der Infektionspathogenese von Neisseria meningitidis dar. In dieser Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass die Infektion von menschlichen Gehirnendothelzellen mit N. meningitidis zu einer transienten Aktivierung der sauren Sphingomyelinase (ASM) gefolgt von einer vermehrten Ceramidproduktion führt. Als Antwort auf die Infektion mit N. meningitidis kommt es zu einer vermehrten Präsentation der ASM und von Ceramiden an der äusseren Seite der Plasmamembran und zu einer Ausbildung von großen Ceramid-reichen Membran-Domänen, welche mit cortical plaque assoziierten Proteinen kolokalisieren. Bei dieser N. meningitids vermittelten Aktivierung der ASM spielt das bakterielle Aussenmembranprotein Opc sowie die Aktivierung der Phosphatidylcholin-spezifische Phospholipase C über die Interaktion von Opc mit Heparansulfat-Proteoglykane eine entscheidende Rolle. Die pharmakologische oder genetische Inhibition der ASM Funktion führt zu einer geringeren Invasivität der Meningokokken ohne dabei die Adhärenz zu beeinflussen. Im Einklang mit diesen Ergebnissen steht die Beobachtung, dass die geringere Invasivität von ausgewählten Isolaten des ST-11/ST-8 Komplex in menschlichen Gehirnendothelzellen direkt mit ihrer eingeschränkter Fähigkeit korreliert, die ASM zu aktivieren bzw. eine Ceramidproduktion zu induzieren. Schlussfolgernd ist die ASM Aktivierung und eine nachfolgende Ceramidproduktion essenziell für die Internalisierung von Opc-exprimierende Meningokokken in Gehirnendothelzellen und bietet einen Erklärungsansatz für die unterschiedliche Invasivität von verschiedenen N. meningitidis Stämmen. / The interaction with brain endothelial cells is central to the pathogenicity of Neisseria meningitidis infections. Here, we show that N. meningitidis causes transient activation of acid sphingomyelinase (ASM) followed by ceramide release in brain endothelial cells. In response to N. meningitidis infection, ASM and ceramide are displayed at the outer leaflet of the cell membrane and condense into large membrane platforms which also colocalize with cortical plaque associated proteins. The outer membrane protein Opc and phosphatidylcholine-specific phospholipase C that is activated upon binding of the pathogen to heparan sulfate proteoglycans, are required for N. meningitidis-mediated ASM activation. Pharmacologic or genetic ablation of ASM abrogated meningococcal internalization without affecting bacterial adherence. In accordance, the restricted invasiveness of a defined set of pathogenic isolates of the ST-11/ST-8 clonal complex into brain endothelial cells directly correlated with their restricted ability to induce ASM and ceramide release. In conclusion, ASM activation and ceramide release are essential for internalization of Opc-expressing meningococci into brain endothelial cells, and this segregates with invasiveness of N. meningitidis strains.

Thèse de doctorat : Enzymologie Moléculaire : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse de doctorat : Génie des procédés et des produits : INPL : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Neisseria meningitidis is a causative agent of meningitis and septicaemia. Pili are one of the major virulence factors that contribute to the pathogenicity of N. meningitidis. Pili of Neisseria are type IV fimbriae composed primarily of thousands of identical pilin subunits. Pilin of N. meningitidis is post-translationally modified by trisaccharide, phosphorylcholine and -glycerophosphate. The genes involved in pilin expression, pilin glycosylation and phosphorylcholine modification are phase variable (high frequency ON/OFF switching of expression). The function of pilin post-translational modifications and their phase variable expression in host:pathogen interactions is unknown. The phase variable expression of glycosylation in bacteria has been proposed to function in bacterial adherence and immune avoidance. However, the function of pilin glycosylation in N. meningitidis is unclear. Phosphorylcholine is expressed in a number of respiratory organisms including P. aeruginosa (on teichoic acid), S. pneumoniae (on lipoteichoic acid) and H. influenzae (on LPS). Phosphorylcholine in these organisms is important in colonisation of the nasopharynx and invasion of the epithelium. Studies on N. meningitidis pilin post-translational modifications have been restricted by difficulties in purification of pilin protein. In this thesis, we evaluated current pilin purification methods and established an efficient method of purifying pilin from N. meningitidis by Flag-tag purification system. Flag-tag purified pilin is post-translationally modified. The LC-ESI/MS/MS analysis performed in this thesis using Flag-tag purified pilin successfully determined the phosphorylcholine post-translational modification sites. Based on the MS data and the mutagenesis analysis, phosphorylcholine is covalently linked to serine 157 and serine 160 of pilin. The colony immunoblot of a serine 157/160 to alanine mutant revealed that phosphorylcholine modifications of these sites on pilin are the only surface exposed phosphorylcholine and is responsible for binding to TEPC-15 (the monoclonal antibody which binds to phosphorylcholine). In this thesis, molecular modelling demonstrated that surface exposure of pilin phosphorylcholine could be altered by the phase variation of pilin glycosylation on the adjacent pilin monomer. Furthermore, the sites for phosphorylcholine modification are commonly observed in N. meningitidis strains but not in N. gonorrhoeae indicating the importance of phosphorylcholine in pathogenisis of N. meningitidis. In addition, the biosynthesis of phosphorylcholine for pilin post-translational modification still remains a mystery. Bacteria generally obtain choline from the environment. In this thesis, we demonstrated that pilin phosphorylcholine post-translational modification could be endogenously synthesized in N. meningitidis. In summary, this thesis describes the purification method of obtaining pure post-translationally modified pilin from N. meningitidis. The phosphorylcholine post-translation modification sites on pilin have been determined and showed the importance of these sites in antibody binding specificity.

Würzburg, Universiẗat, Diss., 2008.

Würzburg, Univ., Diss., 2007. / Zsfassung in engl. Sprache.

Thesis (Ph.D.) - University of Queensland, 2004. / Includes bibliography.

Würzburg, Univ., Diss., 2005. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004

Thesis (Ph.D.) - University of Queensland, 2005. / Includes bibliography.