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Posttranskriptionale Regulation der Internalinexpression und alternative Internalin-unabhängige Aufnahme von Listeria monocytogenes in Animalzellen

Posttranscriptional regulation of the Internalin Expression and Alternative Internalin Independent Uptake of Listeria monocytogenes in Animal Cells

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-25631
  • Listeria monocytogenes ist ein weit verbreitetes, Gram-positives humanpatho-genes Bakterium, welches in immunsupprimierten Personen das Krankheitsbild der Listeriose auslösen kann. Der Infektionszyklus der Listerien im Wirt ist im Hinblick auf die Pathogenese dieses Erregers intensiv untersucht worden. Die Regulation der verschiedenen beteiligten Virulenzfaktoren unterliegt in L. monocytogenes einer starken Kontrolle, die einerseits durch regulatorische Proteine aber auch durch Umweltfaktoren beeinflusst wird. Die Mechanismen, die aufListeria monocytogenes ist ein weit verbreitetes, Gram-positives humanpatho-genes Bakterium, welches in immunsupprimierten Personen das Krankheitsbild der Listeriose auslösen kann. Der Infektionszyklus der Listerien im Wirt ist im Hinblick auf die Pathogenese dieses Erregers intensiv untersucht worden. Die Regulation der verschiedenen beteiligten Virulenzfaktoren unterliegt in L. monocytogenes einer starken Kontrolle, die einerseits durch regulatorische Proteine aber auch durch Umweltfaktoren beeinflusst wird. Die Mechanismen, die auf transkriptionaler wie auch auf translationaler Ebene die Expression verschiedener listerieller Virulenzgene regulieren, wurden kürzlich näher charakterisiert. Es wurden für verschiedene listerielle Virulenzgene Riboswitch-mechanismen zur Expressionskontrolle in Listerien neu beschrieben. Durch Vorarbeiten wurde auch für das inlAB-Operon ein posttranskriptionaler Regu-lationsmechanismus postuliert. Dabei wurde der anaerobe Stoffwechsel der Listerien als möglicher Auslöser für die beobachtete Translationssteigerung des inlA- und inlB-Gens diskutiert. Innerhalb der vorliegenden Arbeit sollte nun weitergehend untersucht werden, in welchem Bereich der Sequenz des inlAB-Operons sich regulatorische Strukturen zur posttranskriptionalen Regulation unter anaeroben Wachstumsbedingungen befinden. Dazu wurden verschiedene Mutanten mit unterschiedlichen Deletionen im inlAB-Operon konstruiert und die Transkription und Translation sowohl des inlA-, als auch des inlB-Gens betrachtet. Eine Deletion im aroA-Gen bewirkt das Wachstum der Bakterien bei anaerobem Stoffwechsel. Diese Deletion wurde in die konstruierten Stämme eingefügt, um die Expression der Gene unter den verschiedenen Wachstumsbedingungen vergleichen zu können. Außerdem wurden verschiedene gus-Reportergen-Fusionsmutanten und Promotor-austauschmutanten konstruiert, um quantitativ aussagekräftigere Daten zu erheben. Die Charakterisierung der Mutanten ließ erkennen, dass keiner der deletierten Bereiche des inlAB-Operons von L. monocytogenes für die beobachtete Translationssteigerung im inlA-Gen bei anaerobem Stoffwechsel verantwortlich zu sein scheint. Das inlB-Gen war innerhalb der hier gezeigten Experimente nicht posttranskriptional reguliert, wie im Vorfeld postuliert. Nach plasmidkodierter Expression verschiedener Bereiche des inlAB-Operons konnte, verglichen mit genomischer Expression, keine Veränderung in der inlA-Expression beobachtet werden. Die mögliche Beteiligung eines potentiellen Regulatorproteins konnte innerhalb dieser Arbeit daher nicht näher eingegrenzt werden. Auch ein Einfluss der regulatorischen Faktoren Hfq und CcpA auf die Expression des InlA Proteins in der L. monocytogenes ΔaroA-Mutante konnte nicht gefunden werden. Es zeigte sich interessanterweise außerdem, dass weitere Virulenzgene wie actA und hly unter den anaeroben Bedingungen ebenfalls eine Translations-steigerung zeigten. Somit stellt sich abschließend die Frage, ob es sich bei der beobachteten Translationssteigerung des inlA-Gens wirklich um einen durch bestimmte Strukturen in der inlAB-mRNA ausgelösten Mechanismus handelt. L. monocytogenes ist als intrazellulär replizierendes, Gram-positives Bakterium interessant für den Einsatz in immun- und tumortherapeutischen Anwendungen. Attenuierte L. monocytogenes-Stämme wurden dazu bereits erfolgreich im Mausmodell als Trägerbakterien für Impfstoffstrategien eingesetzt. Die gezielte Infektion von Geweben ist jedoch aufgrund des wenig ausgeprägten Zelltropismus der Listerien im Wirt bisher ein Problem für einen Einsatz in bakterienbasierten Anwendungen, wie z.B. der Tumor- oder Gentherapie. Innerhalb dieser Arbeit wurden L. monocytogenes-Stämme konstruiert, bei denen chromosomal das für die Integrase codierende Gen gegen das Gen für das Staphylokokken Protein A (SPA) unter der Kontrolle listerieller Promotoren ausgetauscht wurde. Die erfolgreiche Oberflächenlokalisation von Protein A in der Zellwand von Listerien konnte im Western Blot oder in funktionellen Immunfluoreszenzfärbungen in Mikroskop- und FACS-Analysen nachgewiesen werden. Diese Stämme sollen im Cell Targeting zur gezielten Infektion von Geweben eingesetzt werden. Dazu konnten die Bakterien über Herceptin®-HER2/neu-vermittelte Adhäsion an SK-BR-3-Zellen erfolgreich in diese aufgenommen werden und innerhalb dieser replizieren. Die neu konstruierten Listeria-Stämme zeigten im Mausmodell keine Veränderung in ihrer Virulenz verglichen mit nicht-SPA-exprimierenden Stämmen. Die in dieser Arbeit vorgestellte Antikörper-Rezeptor-vermittlelte Aufnahme der Listerien in Zellen stellt einen neuen, bisher nicht beschriebenen Mechanismus dar, der in vielen therapeutischen Anwendungen zur Infektion spezifischer Gewebe durch Listerien genutzt werden kann.show moreshow less
  • Listeria monocytogenes is a widely distributed gram-positive pathogenic bacterium, that causes the disease listeriosis in immunocompromised persons. The infectious cycle of this pathogen has been well investigated concerning the mechanisms of pathogenesis. The regulation of the involved virulence factors underlie strong control mechanisms both by regulatory proteins and environmental conditions. The mechanisms that control the expression of listerial virulence genes on the transcriptional and translational level have recently been characterizedListeria monocytogenes is a widely distributed gram-positive pathogenic bacterium, that causes the disease listeriosis in immunocompromised persons. The infectious cycle of this pathogen has been well investigated concerning the mechanisms of pathogenesis. The regulation of the involved virulence factors underlie strong control mechanisms both by regulatory proteins and environmental conditions. The mechanisms that control the expression of listerial virulence genes on the transcriptional and translational level have recently been characterized more closely. For some of these virulence factors, regulatory posttranscriptional riboswitch control mechanisms have recently been newly described in Listeria. In studies prior to this work, a posttranscriptional regulation mechanism has been postulated for the inlAB-Operon, also. As a trigger for the enhanced translation of the inlA and inlB gene the anaerobic metabolism of Listeria has been discussed. In the here presented work, it should be further investigated which part of the inlAB operon comprises regulatory structures for the posttranscriptional regulation at anaerobic growth conditions. To this purpose, different mutants with varying deletions in the inlAB operon have been constructed and transcription and translation of both the inlA and inlB genes observed. A deletion in the aroA gene provokes growth of the bacteria at anaerobic metabolism. This deletion was introduced in the newly constructed strains to be able to compare the different growth conditions. Additionally, gus-reportergene fusion as well as promoter exchange mutants were constructed to be able to raise quantitatively significant data. The characterization of the deletion mutants showed that none of the introduced deletions in the inlAB operon seems to be responsible for the enhanced expression of inlA in anaerobically growing Listeriae. In the here presented experiments, the inlB-gene was not found to be posttranscriptionally regulated, in accordance with a previous report. The plasmid encoded expression of different parts of the inlAB operon did not lead to an alteration in the inlA expression compared to genomically encoded inlA. The possible interaction of a potential regulator protein could thus not be further elucidated. Also, the engagement of the regulators like Hfq or CcpA could not be found. Interestingly, also the virulence genes actA and hly showed an enhanced translational efficiency under the given conditions. Thus, in the herein presented work, the question is raised, whether the observed translation enhancement of the inlA gene is really due to regulatory structures within the inlAB-mRNA. As an intracellularly replicating, Gram positive bacterium, L. monocytogenes is a very interesting means to be used in immuno- or tumortherapeutic applications. Attenuated L. monocytogenes strains have already been successfully applied as carrier strains in vaccine strategies in the mouse model. Due to the distinct cell tropism of Listeriae in the host, the targeted infection of tissue has so far been a problem regarding the use in bacteria-based applications like tumor or gene therapy. In this work, L. monocytogenes strains have been constructed, that contain the chromosomal integrase gene exchanged for the staphylococcal Protein A (SPA) gene under the control of different listerial promoters. The successful translocation and anchoring of SPA in the cell wall was confirmed by either western blot or functionally by immunofluorescence staining using microscopic and FACS analysis. These strains should be used to specifically infect tissues via cell targeting. Through Herceptin®-HER2/neu-mediated adhesion to SK-BR-3 cells the bacteria could be successfully taken up and replicate in these cells. The newly constructed Listeria strains did not show any alteration in virulence in the mouse model when compared to non-SPA-expressing strains. The herein presented antibody-receptor-mediated uptake of the Listeriae in cells demonstrates a new, so far not described mechanism, that can be used in many therapeutic applications involving the infection of specific tissues by Listerae.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alexa Frentzen
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-25631
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2007/12/19
Language:German
Year of Completion:2007
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Listeria monocytogenes; Internalin; Genregulation; Aufnahme
Tag:Gene Regulation; Internalin; Listeria monocytogenes; Uptake
Release Date:2007/12/21
Advisor: Werner Goebel