The obligate human pathogen Neisseria meningitidis is a major cause of sepsis and meningitis worldwide. It affects mainly toddlers and infants and is responsible for thousands of deaths each year. In this study, different aspects of the importance of sphingolipids in meningococcal pathogenicity were investigated. In a first step, the acid sphingomyelinase (ASM), which degrades membrane sphingomyelin to ceramide, was studied in the context of meningococcal infection. A requirement for ASM surface activity is its translocation from the lysosomal compartment to the cell surface, a process that is currently poorly understood.
This study used various approaches, including classical invasion and adherence assays, flow cytometry, and classical and super resolution immunofluorescence microscopy (dSTORM). The results showed that the live, highly piliated N. meningitidis strain 8013/12 induced calcium-dependent ASM translocation in human brain microvascular endothelial cells (HBMEC). Furthermore, it promoted the formation of ceramide-rich platforms (CRPs). In addition, ASM translocation and CRP formation were observed after treating the cells with pili-enriched fractions derived from the same strain. The importance for N. meningitidis to utilize this pathway was shown by the inhibition of the calcium-dependent ASM translocation, which greatly decreased the number of invasive bacteria.
I also investigated the importance of the glycosphingolipids GM1 and Gb3. The results showed that GM1, but not Gb3, plays an important role in the ability of N. meningitidis to invade HBMEC. By combining dSTORM imaging and microbiological approaches, we demonstrated that GM1 accumulated prolifically around bacteria during the infection, and that this interaction seemed essential for meningococcal invasion.
Sphingolipids are not only known for their beneficial effect on pathogens. Sphingoid bases, including sphingosine, are known for their antimicrobial activity. In the last part of this study, a novel correlative light and electron microscopy approach was established in the combination with click chemistry to precisely localize azido-functionalized sphingolipids in N. meningitidis. The result showed a distinct concentration-dependent localization in either the outer membrane (low concentration) or accumulated in the cytosol (high concentration). This pattern was confirmed by mass spectrometry on separated membrane fractions. Our data provide a first insight into the underlying mechanism of antimicrobial sphingolipids. / Der obligate Humanpathogen Neisseria meningitidis ist weltweit einer der Hauptursachen für Sepsis und Meningitis. Er befällt vor allem Kleinkinder und Säuglinge und ist jedes Jahr für Tausende von Todesfällen verantwortlich. In dieser Studie wurden verschiedene Aspekte der Bedeutung von Sphingolipiden bei der Pathogenität von Meningokokken untersucht. In einem ersten Schritt wurde die saure Sphingomyelinase (ASM), die Membran-Sphingomyelin zu Ceramid abbaut, im Zusammenhang mit einer Meningokokken-Infektion untersucht. Eine Voraussetzung für die Oberflächenaktivität der ASM ist ihre Translokation vom lysosomalen Kompartiment auf die Zelloberfläche, ein Prozess, der derzeit noch wenig verstanden wird.
In dieser Studie wurden verschiedene Ansätze verwendet, darunter klassische Invasions- und Adhärenztests, Durchflusszytometrie sowie klassische und superauflösende Immunfluoreszenzmikroskopie (dSTORM). Die Ergebnisse zeigten, dass der lebende, hochpiliatisierte N. meningitidis Stamm 8013/12 eine kalziumabhängige ASM-Translokation in mikrovaskulären Endothelzellen des menschlichen Gehirns (HBMEC) induzierte. Des Weiteren förderte er die Bildung Ceramid-reicher Plattformen (CRPs). Zusätzlich wurden ASM-Translokation und CRP-Bildung beobachtet, nachdem die Zellen mit pili-angereicherten Fraktionen desselben Stammes behandelt worden waren. Die Bedeutung für N. meningitidis in der Pathogenese zeigte sich durch die Hemmung der Calcium-abhängigen ASM-Translokation, wodurch die Zahl der invasiven Bakterien stark reduziert wurde.
Ich untersuchte auch die Bedeutung der Glykosphingolipide GM1 und Gb3. Die Ergebnisse zeigten, dass GM1, aber nicht Gb3, eine wichtige Rolle bei der Fähigkeit von N. meningitidis spielt, in Gehirnendothelzellen einzudringen. Durch die Kombination von dSTORM-Bildgebung und mikrobiologischen Ansätzen konnten wir zeigen, dass sich GM1 während der Infektion vermehrt um die Bakterien herum anreicherte und dass diese Interaktion für die Invasion von Meningokokken essenziell ist.
Sphingolipide sind nicht nur für ihre positive Wirkung auf Krankheitserreger bekannt. Sphingoidbasen, einschließlich Sphingosin, sind zusätzlich für ihre antimikrobielle Aktivität bekannt. Im letzten Teil dieser Studie wurde ein neuartiger korrelativer licht- und elektronenmikroskopischer Ansatz in der Kombination mit Click-Chemie etabliert, um azidofunktionalisierte Sphingolipide in N. meningitidis genau zu lokalisieren. Das Ergebnis zeigte eine deutliche konzentrationsabhängige Lokalisation entweder in der äußeren Membran (niedrige Konzentration) oder akkumuliert im Zytosol (hohe Konzentration). Dieses Muster konnte durch einen Massenspektrometrischen Ansatz bestätigt werden. Hierfür wurde eine Separation der inneren und äußeren Membran, nach Behandlung mit der niedrigen Konzentration, etabliert. Die verschiedenen Membranfraktionen wurden anschließend auf ihren Gehalt an funktionalisierten Sphingolipiden hin untersucht und bestätigten die lokalisierung in der äußeren Membran. Unsere Daten geben einen ersten Einblick in den zugrundeliegenden Mechanismus der antimikrobiellen Sphingolipide.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:22623 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Peters, Simon |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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