Staphylococcus aureus is both a human commensal and a pathogen. 20%-30% of all individuals are permanently or occasionally carriers of S. aureus without any symptoms. In contrast to this, S. aureus can cause life-threatening diseases e.g. endocarditis, osteomyelitis or sepsis. Here, the increase in antibiotic resistances makes it more and more difficult to treat these infections and hence the number of fatalities rises constantly. Since the pharmaceutical industry has no fundamentally new antibiotics in their pipeline, it is essential to better understand the interplay between S. aureus and the human host cell in order to find new, innovative treatment options.
In this study, a RNA interference based whole genome pool screen was performed to identify human proteins, which play a role during S. aureus infections. Since 1,600 invasion and 2,271 cell death linked factors were enriched at least 2 fold, the big challenge was to filter out the important ones. Here, a STRING pathway analysis proved to be the best option. Subsequently, the identified hits were validated with the help of inhibitors and a second, individualised small interfering RNA-based screen.
In the course of this work two important steps were identified, that are critical for host cell death: the first is bacterial invasion, the second phagosomal escape. The second step is obligatory for intracellular bacterial replication and subsequent host cell death. Invasion in turn is determining for all following events. Accordingly, the effect of the identified factors towards these two crucial steps was determined. Under screening conditions, escape was indirectly measured via intracellular replication. Three inhibitors (JNKII, Methyl-beta-cyclodeytrin, 9-Phenantrol) could be identified for the invasion process. In addition, siRNAs targeted against 16 different genes (including CAPN2, CAPN4 and PIK3CG), could significantly reduce bacterial invasion. Seven siRNAs (FPR2, CAPN4, JUN, LYN, HRAS, AKT1, ITGAM) were able to inhibit intracellular replication significantly. Further studies showed that the IP3 receptor inhibitor 2-APB, the calpain inhibitor calpeptin and the proteasome inhibitor MG-132 are able to prevent phagosomal escape and as a consequence intracellular replication and host cell death.
In this context the role of calpains, calcium, the proteasome and the mitochondrial membrane potential was further investigated in cell culture. Here, an antagonistic behaviour of calpain 1 and 2 during bacterial invasion was observed. Intracellular calcium signalling plays a major role, since its inhibition protects host cells from death. Beside this, the loss of mitochondrial membrane potential is characteristic for S. aureus infection but not responsible for host cell death. The reduction of membrane potential can be significantly diminished by the inhibition of the mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger.
All together, this work shows that human host cells massively contribute to different steps in S. aureus infection rather than being simply killed by bacterial pore-forming toxins. Various individual host cell factors were identified, which contribute either to invasion or to phagosomal escape and therefore to S. aureus induced cytotoxicity. Finally, several inhibitors of S. aureus infection were identified. One of them, 2-APB, was already tested in a sepsis mouse model and reduced bacterial load of kidneys.
Thus, this study shows valuable evidence for novel treatment options against S. aureus infections, based on the manipulation of host cell signalling cascades. / Staphylococcus aureus kann sowohl ein Bestandteil der natürlichen Hautflora als auch ein Krankheitserreger sein. 20%-30% aller Menschen werden, permanent oder zeitweise, von S. aureus besiedelt, ohne Krankheitssymptome aufzuweisen. Im Gegensatz dazu kann S. aureus lebensbedrohliche Krankheiten wie Endokarditis, Osteomyelitis oder Sepsis verursachen. Diese Infektionen können immer schlechter behandelt werden, da immer mehr Stämme Resistenzen gegen die vorhandenen Antibiotika aufweisen. Dies führt zu einer steigenden Anzahl an Todesfällen, die auf Staphylokokkeninfektionen zurückzuführen sind. Da die Pharmaindustrie keine grundlegend neuen Antibiotika kurz vor der Marktreife hat, ist ein besseres Verständnis für das Wechselspiel zwischen Staphylokokken und ihren menschlichen Wirtszellen unbedingt notwendig, um neue, innovative Behandlungsmöglichkeiten finden zu können.
Dafür wurde in dieser Arbeit ein genomweiter RNA-interferenz basierter Screen durchgeführt. Es sollten so die Proteine identifiziert werden, die eine Rolle bei der Staphylokokkeninfektion spielen. Da 1.600 invasionsrelevante und 2.271 zelltodrelevante Faktoren mindestens 2-fach angereichert waren, musste ein Weg gefunden werden die wichtigen Faktoren herauszufiltern. Eine STRING-Pathwayanalyse stellte sich als die beste Methode hierfür heraus. In einem zweiten Schritt wurden die so identifizierten Faktoren mit Inhibitoren oder einzelnen siRNAs ein weiteres Mal herunterreguliert, um ihre tatsächlichen Auswirkungen auf den Infektionsverlauf zu untersuchen.
Im Verlauf dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass dem S. aureus induzierten Wirtszelltod mindestens zwei wichtige Schritte vorausgehen müssen. Erstens die Invasion der Wirtszelle und zweitens der Ausbruch aus dem Phagosom. Nur so können sich im dritten Schritt die Bakterien intrazellulär vermehren und die Zelle töten.
Daher wurde der Einfluss der identifizierten Faktoren auf diese beiden entscheidenden Prozesse untersucht. Der Ausbruch wurde unter Screenkonditionen indirekt über die intrazelluläre Vermehrung bestimmt. Es konnten drei Inhibitoren (JNKII, Methyl-beta-cyclodeytrin, 9-Phenantrol) identifiziert werden, die die bakterielle Invasion vermindern. Darüber hinaus wurden 16 Proteine (unter anderem CAPN2, CAPN4 und PIK3CG) gefunden, deren Herunterregulation durch siRNAs, eine signifikant reduzierte Invasion zur Folge hatten. Sieben siRNAs (FPR2, CAPN4, JUN, LYN, HRAS, AKT1, ITGAM) waren in der Lage die intrazelluläre Vermehrung signifikant zu verringern. In nachfolgenden Versuchen konnte gezeigt werden, dass der IP3-Rezeptorinhibitor 2-APB, der Calpaininhibitor Calpeptin und der Proteasominhibitor MG-132 den Ausbruch aus dem Phagosom, sowie die darauffolgenden Ereignisse (intrazelluläre Vermehrung und Wirtszelltod) inhibieren können.
In diesem Zusammenhang wurden die Einflüsse von Calpainen, Calcium, dem Proteasom sowie dem mitochondrialen Membranpotentialverlust im Zellkulturmodell im Detail weiter untersucht. So konnte eine gegensätzliche Rolle von Calpain 1 und 2 bei der S. aureus Invasion festgestellt werden. Die intrazelluläre calciumabhängige Signalweiterleitung spielt eine bedeutende Rolle bei der S. aureus Infektion, da ihre Inhibition eine normale Infektion verhindert. Das mitochondriale Membranpotential (MMP) sinkt während einer S. aureus infektion, ist aber nicht für den Zelltod verantwortlich. Das Sinken des MMPs kann mit einem Inhibitor, der den mitochondrialen Na+/Ca2+ Austausch verhindert, signifikant reduziert werden.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die menschliche Wirtszelle selbst relevant zu den verschiedenen Schritten der Staphylokokkeninfektion beiträgt, und nicht einfach, wie häufig angenommen, von porenbildenden bakteriellen Toxinen zerstört wird. Entsprechend konnten einzelne Wirtszellproteine identifiziert werden, die entweder zur bakteriellen Invasion oder zum phagosomalen Ausbruch und somit zum induzierten Wirtszelltod beitragen. Überdies konnte gezeigt werden, dass Inhibitoren, die diese Wirtszellproteine hemmen, die Wirtszellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vor einer S. aureus Infektion schützen können.
Folglich liefert diese Arbeit wertvolle Hinweise für neue Behandlungsmöglichkeiten von S. aureus Infektionen, die auf der Manipulation von Wirtszellsignalkaskaden beruhen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:11430 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Winkler, Ann-Cathrin Nicole |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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