The intracellular pathogen Chlamydia is the causative agent of millions of new infections per year transmitting diseases like trachoma, pelvic inflammatory disease or lymphogranuloma venereum. Undetected or recurrent infections caused by chlamydial persistence are especially likely to provoke severe pathologies. To ensure host cell survival and to facilitate long term infections Chlamydia induces anti-apoptotic pathways, mainly at the level of mitochondria, and restrains activity of pro-apoptotic proteins. Additionally, the pathogen seizes host energy, carbohydrates, amino acids, lipids and nucleotides to facilitate propagation of bacterial progeny and growth of the chlamydial inclusion.
At the beginning of this study, Chlamydia-mediated apoptosis resistance to DNA damage induced by the topoisomerase inhibitor etoposide was investigated. In the course of this, a central cellular protein crucial for etoposide-mediated apoptosis, the tumour suppressor p53, was found to be downregulated during Chlamydia infections. Subsequently, different chlamydial strains and serovars were examined and p53 downregulation was ascertained to be a general feature during Chlamydia infections of human cells. Reduction of p53 protein level was established to be mediated by the PI3K-Akt signalling pathway, activation of the E3-ubiquitin ligase HDM2 and final degradation by the proteasome. Additionally, an intriguing discrepancy between infections of human and mouse cells was detected. Both activation of the PI3K-Akt pathway as well as degradation of p53 could not be observed in Chlamydia-infected mouse cells. Recently, production of reactive oxygen species (ROS) and damage to host cell DNA was reported to occur during Chlamydia infection. Thus, degradation of p53 strongly contributes to the anti-apoptotic environment crucial for chlamydial infection.
To verify the importance of p53 degradation for chlamydial growth and development, p53 was stabilised and activated by the HDM2-inhibiting drug nutlin-3 and the DNA damage-inducing compound etoposide. Unexpectedly, chlamydial development was severely impaired and inclusion formation was defective. Completion of the chlamydial developmental cycle was prevented resulting in loss of infectivity. Intriguingly, removal of the p53 activating stimulus allowed formation of the bacterial inclusion and recovery of infectivity. A similar observation of growth recovery was made in infected cell lines deficient for p53.
As bacterial growth and inclusion formation was strongly delayed in the presence of activated p53, p53-mediated inhibitory regulation of cellular metabolism was suspected to contribute to chlamydial growth defects. To verify this, glycolytic and pentose phosphate pathways were analysed revealing the importance of a functioning PPP for chlamydial growth. In addition, increased expression of glucose-6-phosphate dehydrogenase rescued chlamydial growth inhibition induced by activated p53. The rescuing effect was even more pronounced in p53-deficient cells treated with etoposide or nutlin-3 revealing additional p53-independent aspects of Chlamydia inhibition. Removal of ROS by anti-oxidant compounds was not sufficient to rescue chlamydial infectivity. Apparently, not only the anti-oxidant capacities of the PPP but also provision of precursors for nucleotide synthesis as well as contribution to DNA repair are important for successful chlamydial growth.
Modulation of host cell signalling was previously reported for a number of pathogens. As formation of ROS and DNA damage are likely to occur during infections of intracellular bacteria, several strategies to manipulate the host and to inhibit induction of apoptosis were invented. Downregulation of the tumour suppressor p53 is a crucial point during development of Chlamydia, ensuring both host cell survival and metabolic support conducive to chlamydial growth. / Intrazellulär lebende Chlamydien führen jährlich zu Millionen an Neuinfektionen und lösen Krankheiten wie das Trachom, eine Entzündung des Auges, sowie entzündliche Beckenerkrankungen oder Lymphogranuloma venereum, eine venerische Lymphknotenentzündung, aus. Unentdeckte oder wiederkehrende Infektionen, ausgelöst durch chronisch persistierende Chlamydien, führen häufig zu schwerwiegenden Komplikationen. Um das Überleben der Wirtszelle und dauerhafte Infektionen zu ermöglichen, induzieren Chlamydien antiapoptotische Signalwege, hauptsächlich auf Höhe der Mitochondrien, und beeinträchtigen darüber hinaus die Aktivität proapoptotischer Proteine. Energie, Kohlenhydrate, Aminosäuren, Lipide und Nukleotide bezieht der Krankheitserreger vollständig aus der Wirtszelle. Erst dadurch wird sowohl die Vermehrung der Bakterien, als auch das Wachstum der chlamydialen Inklusion ermöglicht.
Zu Beginn dieser Arbeit wurde die Chlamydien-vermittelte Resistenz gegenüber induziertem Zelltod nach Schädigung der DNA durch den Topoisomerase-Inhibitor Etoposid untersucht. Im Zuge dessen wurde entdeckt, dass der Tumorsuppressor p53, ein zentrales zelluläres Protein entscheidend für die Etoposid-induzierte Apoptose, während Chlamydien-Infektionen herunterreguliert wird. Nachdem verschiedene chlamydiale Stämme und Serovare untersucht wurden, konnte festgestellt werden, dass es sich bei der Herunterregulierung von p53 um ein allgemeines Merkmal chlamydialer Infektionen von humanen Zellen handelt. Die Reduzierung der Proteinmenge von p53 wird dabei durch den PI3K-Akt Signalweg, Aktivierung der E3-Ubiquitin-Ligase HDM2 und abschließendem Abbau durch das Proteasom vermittelt. Zusätzlich wurde ein interessanter Unterschied zwischen Infektionen humaner und muriner Zellen entdeckt. Sowohl Aktivierung des PI3K-Akt Weges, als auch der Abbau von p53 konnten in Chlamydien-infizierten Mauszellen nicht beobachtet werden. Kürzlich wurde darüber berichtet, dass während chlamydialer Infektionen reaktive Sauerstoffspezies produziert werden und die DNA der Wirtszelle geschädigt wird. Demnach trägt der Abbau von p53 entscheidend dazu bei, ein für chlamydiale Infektionen maßgebliches, anti-apoptotisch geprägtes Umfeld zu generieren.
Um die Bedeutung des Abbaus von p53 für Wachstum und Entwicklung von Chlamydien zu ermessen, wurde p53 durch den HDM2-inhibierenden Wirkstoff Nutlin-3, sowie die DNA-Schäden induzierende Verbindung Etoposid stabilisiert bzw. aktiviert. Die Entwicklung der Chlamydien, sowie die Ausbildung der Inklusion wurden dadurch überraschenderweise stark beeinträchtigt bzw. waren fehlerhaft. Die Vollendung des chlamydialen Entwicklungszyklus wurde verhindert, was den Verlust der Infektivität nach sich zog. Interessanterweise erlaubte das Entfernen des p53-aktivierenden Stimulus die Ausbildung der bakteriellen Inklusion und die Wiedererlangung der Infektivität. Eine ähnliche Beobachtung konnte in Zelllinien mit einer p53-Defizienz gemacht werden.
Da bakterielles Wachstum und Ausbildung der Inklusion durch aktiviertes p53 stark eingeschränkt war, wurde vermutet, dass p53-vermittelte Inhibierung des zellulären Metabolismus am fehlerhaften Wachstum der Chlamydien beteiligt ist. Analyse von Glykolyse und Pentosephosphatweg (PP-Weg) zeigten den Stellenwert eines funktionierenden PP-Wegs für das Wachstum der Chlamydien auf. Zusätzlich konnte durch Überexpression der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase das durch aktiviertes p53 gehemmte Wachstum der Chlamydien wiederhergestellt werden. Dieser Effekt war noch deutlicher in p53-defizienten Zellen, die mit Etoposid bzw. Nutlin-3 behandelt wurden. Demnach tragen auch p53-unabhängige Aspekte zur Einschränkung des chlamydialen Wachstums bei. Das Entfernen von reaktiven Sauerstoffspezies durch Antioxidationsmittel war jedoch nicht ausreichend zur Wiedererlangung der chlamydialen Infektivität. Demnach sind nicht nur die anti-oxidativen Eigenschaften des PP-Wegs sondern auch das Bereitstellen von Vorläufermolekülen für die Nukleotidsynthese, sowie dessen Beitrag zur DNA-Reparatur entscheidend für erfolgreiches Wachstum von Chlamydien.
Veränderung der Signaltransduktion der Wirtszelle wurde bereits bei einigen Krankheitserregern nachgewiesen. Da reaktive Sauerstoffspezies und DNA Schäden häufig bei Infektionen intrazellulärer Bakterien auftreten, entstanden unterschiedliche Strategien, den Wirt zu manipulieren und das Einleiten des Zelltodes zu verhindern. Das Herunterregulieren des Tumorsuppressors p53 ist entscheidend während der Entwicklung von Chlamydien. Sowohl das Überleben der Wirtszelle, als auch die für chlamydiales Wachstum förderliche Unterstützung durch den Stoffwechsel werden dadurch gewährleistet.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:10867 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Siegl, Christine |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| 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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