Streptococcus pneumoniae ist ein Gram-positives Bakterium und ein Kommensale des humanen Nasenrachenraums. Pneumokokken sind andererseits auch die Verursacher schwerer lokaler Infektionen wie der Otitis media, Sinusitis und von lebensbedrohenden invasiven Erkrankungen. So sind Pneumokokken die wichtigsten Erreger einer ambulant erworbenen Pneumonie und sie sind häufige Verursacher von Septikämien und bakteriellen Meningitiden. Die initiale Phase der Pathogenese ist verbunden mit der Besiedelung der mukosalen Epithelzellen des Rachenraumes. Diese Kolonisierung erleichtert die Aufnahme der Bakterien in die Zelle bzw. deren Dissemination in submukosale Bereiche und den Blutstrom. Die Konversion des Kommensalen zu einem invasiven Mikroorganismus ist assoziiert mit der Anpassung des Krankheitserregers an die verschiedenen Wirtsnischen und wird auf der Wirtsseite durch die Zerstörung der transepithelialen Barriere begleitet. Die Anpassung des Erregers ist vermutlich ein in hohem Grade regulierter Prozess. Die Oberfläche von Streptococcus pneumoniae ist mit Proteinen bedeckt, die kovalent oder nicht kovalent mit der Zellwand verknüpft sind. Eine einzigartige Gruppe von Oberflächenproteinen in der Zellwand der Pneumokokken sind die cholinbindenden Proteine (CBPs). Für einige der CBPs konnte bereits die Bedeutung für die Virulenz gezeigt werden. PspC, auch als SpsA oder CbpA bezeichnet, ist ein multifunktionales Oberflächenprotein, das als Adhesin und Faktor H-Bindungsprotein eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Pneumokokken hat. PspC vermittelt als Adhesin die Anheftung der Bakterien an die mukosalen Epithelzellen, indem es human-spezifisch an die sekretorische Komponente (SC) des polymeren Immunoglobulinrezeptors (pIgR) bindet. SC ist die Ektodomäne des pIgR und PspC kann ebenso die freie SC binden oder an die SC des sekretorischen IgA Moleküls binden. PspC interagiert auch mit dem löslichen Komplement Faktor H. Die SC und der Faktor erkennen zwei verschiedene Epitope im bakteriellen PspC Protein. Der genaue Mechanismus der jeweiligen Interaktionen unter physiologischen- bzw. wirtspezifischen Bedingungen ist noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurde die Auswirkung der PspC Interaktion mit dem humanen pIgR (hpIgR) bzw. dem Faktor H auf die Virulenz der Pneumokokken und die Wirtszellantwort, d.h. die induzierten Signalkaskaden in den eukaryotischen Zellen untersucht. Die molekulare Analyse und die Verwendung von spezifischen pharmakologischen Inhibitoren der Signalmoleküle zeigten, dass verschiedene Signalmoleküle an der PspC-pIgR vermittelten Internalisierung beteiligt sind. Die Aktivierung, d.h. die Phosphorylierung der Signalmoleküle wurde in Immunblots demonstriert. Die Studien zeigten, dass das Aktinzytoskelett und die Mikrotubuli für die bakterielle Aufnahme essentiell sind. Es konnte auch zum ersten Mal nachgewiesen werden, dass Cdc42 die entscheidende GTPase für die Invasion der Pneumokokken in die Wirtsepithelzellen, vermittelt über den PspC-hpIgR Mechanismus, ist. Der Einsatz von PI3-kinase und Akt Kinase Inhibitoren reduzierte signifikant die hpIgR-vermittelte Aufnahme der Pneumokokken in die Wirtszelle. Zusätzlich durchgeführte Infektionen von hpIgR exprimierenden Zellen zeigten eine zeitabhängige Phosphorylierung von Akt und der p85α Untereinheit der PI3-Kinase. Damit ist neben der GTPase Cdc42 der PI3K und Akt Signalweg entscheidend für die PspC-pIgR vermittelte Invasion der Pneumokokken. Des Weiteren sind an der Infektion mit Pneumokokken auch die Protein Tyrosin Kinasen Src, ERK1/2 und JNK beteiligt. Dabei wird die Src Kinase unabhängig von der PI3K in hpIgR exprimierenden Zellen aktiviert. Inhibitionsexperimente und genetische Knockdown Versuche mit siRNA bewiesen, dass die Endozytose der Pneumokokken über PspC-pIgR ein Clathrin und Dynamin abhängiger Mechanismus ist. Im weiterenn Teil der Arbeit wurde der Einfluss des PspC gebundenen Faktor H auf die Anheftung an und Invasion in die Epithelzellen analysiert. Die Bindung von Faktor H erfolgte unabhängig vom PspC-Subtyp. Die Bindungsversuche bewiesen, dass die Kapselmenge negativ korreliert mit der Bindung des Faktor H. Der Einsatz von Faktor H aus Maus oder Ratte zeigte keine typische Bindung. Daraus kann abgeleitet werden, dass diese Interaktion humanspezifisch ist. Die Infektionsexperimente demonstrierten, dass Faktor H die Adhärenz und die Invasion der Bakterien in die Nasenrachenraumzellen (Detroit562), alveolären Lungenepithelzellen (A549) und humanen Hirnendothelzellen (HBMEC) steigert. Der Faktor H hat Heparin Bindestellen. Diese Bindestellen vermitteln die Adhärenz der Faktor H gebundenen Pneumokokken mit Epithelzellen. Inhibitionsstudien mit spezifischen monoklonalen Antikörpern, die gegen die short consensus repeats (SCRs) von Faktor H gerichtet waren, konnten die essentielle Bedeutung der SCR19-20 für die Anheftung der Pneumokokken über Faktor H an die Wirtszellen nachweisen. Die Faktor H vermittelte Assoziation der Pneumokokken an polymorphonukleäre Leukozyten (PMNs) erfolgt über das Integrin CD11b/CD18. Die weiteren Inhibitionsstudien zeigten dann auch zum ersten Mal den Einfluss des Aktinzytoskeletts der Wirtszelle auf die Faktor H-vermittelten bakterieller Internalisierung und den dabei bedeutsamen Signaltransduktionswegen in der eukaryotischen Zelle. Dabei wurden insbesondere die Proteintyrosinkinasen und die PI3K als wichtige Signalmoleküle für die Faktor H vermittelte Invasion der Pneumokokken identifiziert. Die in dieser Arbeit erhaltenen Resultate belegen, dass die Faktor H vermittelte Infektion der Zellen mit S. pneumoniae ein konzertierter Mechanismus ist, bei dem Oberflächen-Glycosaminoglycane, Integrine und Signaltransduktionswege der Wirtsepithelzellen involviert sind. Des Weiteren wurde aufgezeigt, dass die PspC-pIgR-vermittelte Invasion in mukosale Epithelzellen unterschiedliche Signalwege wie z.B. den PI3K und Akt Weg induziert und abhängig von Cdc42 und einer Clathrin vermittelten Endozytosemechanismus ist. / Streptococcus pneumoniae (pneumococci) are Gram-positive bacteria and commensals of the nasopharyngeal cavity. Besides colonization, pneumococci are responsible for severe local infections such as otitis media, sinusitis and life-threatening invasive diseases, including pneumonia, sepsis and meningitis. The surface of pneumococci is decorated with proteins that are covalently or non-covalently anchored to the cell wall. The most unique group of cell wall associated proteins in pneumococci are the choline-binding proteins (CBPs). PspC, also known as SpsA or CbpA, is a multifunctional choline-binding protein that plays an essential role in pneumococcal pathogenesis by functioning as an adhesin. PspC promotes adherence of pneumococci to mucosal epithelial cells by interacting in a human specific manner with the free secretory component (SC) or to SC as part of the secretory IgA (SIgA) or polymeric immunoglobulin receptor (pIgR). PspC also interacts specifically with the soluble complement Factor H. Apparently, PspC uses two different epitopes for binding the soluble host protein Factor H and SC of pIgR. However, the mechanism by which these independent interactions facilitate pneumococcal infections under physiological and host specific conditions have not yet been completely elucidated. This study aims to explore the impact of the PspC interaction with human pIgR (hpIgR) or complement regulator Factor H on pneumococcal virulence. Here the cellular and molecular basis of PspC-mediated adherence to and invasion of host epithelial and endothelial cells was demonstrated. The genetic approach, specific pharmacological inhibitors and immunoblot analysis demonstrated the complexity of the induced signal transduction pathways during PspC-hpIgR mediated pneumococcal uptake by host cells. Inhibition studies with specific inhibitors of actin cytoskeleton and microtubules demonstrated that the dynamics of host cell cytoskeleton are essential for pneumococcal uptake by mucosal epithelial cells. Moreover, this study reports for the first time that the small GTPase Cdc42 is essential for pneumococcal internalization into epithelial cells via the PspC-hpIgR mechanism. In addition, in infection experiments performed in presence of specific inhibitors of PI3-kinase/Akt and protein tyrosine kinase (PTKs), hpIgR-mediated pneumococcal uptake by host cells was significantly blocked. Amongst PTKs the Src kinase pathway, ERK1/2 and JNK pathways were implicated during pneumococcal ingestion by hpIgR expressing cells. In addition, inhibition experiments performed in the presence of individual inhibitors or with a combination of inhibitors suggested the independent activation of PI3-kinase/Akt and Src kinase pathways during pneumococcal infections of hpIgR expressing cells. By employing specific inhibitors and siRNA in cell culture infection experiments it was further demonstrated that pneumococcal endocytosis by host epithelial cells via the PspC-hpIgR mechanism depends on clathrin and dynamin. PspC recruits also Factor H to the pneumococcal cell surface. Consequently, the impact of pneumococcal cell surface bound Factor H on adherence to host cells and the molecular mechanism facilitating the uptake of Factor H bound pneumococci by epithelial cells was investigated. Flow cytometry and immunoblots revealed that S. pneumoniae has evolved the ability to recruit both purified Factor H as well as Factor H from human plasma or serum. Moreover, it was demonstrated that the recruitment of Factor H is independent of the PspC-subtypes and that capsular polysaccharide (CPS) interferes with its recruitment. Factor H bound to pneumococci significantly increased bacterial attachment to and invasion of host epithelial cells including nasopharyngeal cells (Detroit562), lung epithelial cells (A549), and human brain-derived endothelial cells (HBMEC). Blocking experiments demonstrated that bacteria bound Factor H interacts via the heparin binding sites on Factor H with eukaryotic cell surface glycosaminoglycans and that this interaction promotes pneumococcal adherence to host cells. In addition, inhibition studies with mAbs recognizing specifically different short consensus repeats (SCR) of Factor H suggested that SCR 19-20 of Factor H are essential for the pneumococcal interaction with host epithelial cells via Factor H. In the presence of Factor H, attachment of pneumococci to human polymorphonuclear leukocytes (PMNs) is enhanced. The integrin CD11b/CD18 was identified as the cellular receptor on PMNs. By using pharmacological inhibitors the impact of host cell cytoskeleton and signalling molecules, such as PTKs and PI3-kinase, for Factor H-mediated pneumococcal internalization into eukaryotic cells was shown. Taken together, the results revealed that Factor-H mediated pneumococcal infection requires a concerted role of host epithelial cell surface glycosaminoglycans, integrins and host cell signalling pathways.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:3442 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Agarwal, Vaibhav |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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