Carina Wagner

• Legionella pneumophila wurde erstmals 1977 beschrieben, nachdem der Erreger aus dem Lungengewebe eines Patienten isoliert wurde, der an einer schweren atypischen Pneumonie erkrankt war. Das Bakterium zeichnet sich durch ein duales Wirtssystem aus und kann sich sowohl in Protozoen als auch in humanen Zellen vermehren. Ein Ziel dieser Arbeit war es, wichtige Faktoren einer Legionelleninfektion seitens der Wirtszelle zu betrachten. Als Wirtsmodell diente die soziale Amöbe Dictyostelium discoideum. Mit Hilfe eines von Patrick FarbrotherLegionella pneumophila wurde erstmals 1977 beschrieben, nachdem der Erreger aus dem Lungengewebe eines Patienten isoliert wurde, der an einer schweren atypischen Pneumonie erkrankt war. Das Bakterium zeichnet sich durch ein duales Wirtssystem aus und kann sich sowohl in Protozoen als auch in humanen Zellen vermehren. Ein Ziel dieser Arbeit war es, wichtige Faktoren einer Legionelleninfektion seitens der Wirtszelle zu betrachten. Als Wirtsmodell diente die soziale Amöbe Dictyostelium discoideum. Mit Hilfe eines von Patrick Farbrother (Universität Köln) etablierten Dictyostelium DNA-Microarrays mit 5906 genspezifischen Sonden, wurde die Genexpression von D. discoideum in Reaktion auf eine Infektion durch L. pneumophila untersucht. Zur Kontrolle dienten uninfizierte Zellen, und Zellen, die mit L. hackeliae bzw. einer dotA-Mutante von L. pneumophila koinkubiert wurden. Diese beiden Stämme weisen eine verminderte Pathogenität bzw. ein deletiertes Pathogenitätsgen auf. Für den Zeitpunkt 24 h nach Infektionsbeginn wurden 140 Gene gefunden, die in D. discoideum in Reaktion auf eine Infektion mit L. pneumophila differentiell exprimiert werden. Einige Gene codieren bereits bekannte Proteine von D. discoideum. Dazu gehören das RtoA (ratioA, Fusion von Vesikeln), Discoidin I, CotB (spore coat Protein SP70) und die lysosomale α-Mannosidase. Mit Hilfe von Homologie-Suchen konnte weiteren unbekannten Proteinen eine Funktion zugeteilt werden. Hierzu zählen die Chaperone ClpB (heat shock protein Hsp104), β’-COP (coat protein) und drei calciumbindende Proteine. Nach Einteilung in funktionelle Kategorien, konnte gezeigt werden, dass viele Gene reguliert werden, deren Produkte am Aminosäure-Metabolismus beteiligt sind oder bei denen es sich um ribosomale Proteine handelt. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit das Nramp-Protein von D. discoideum näher untersucht. Nramp transportiert zweiwertige Kationen über die phagosomale Membran. Es konnte festgestellt werden, dass die Aufnahme von L. pneumophila und M. avium in eine nramp-Mutante deutlich reduziert ist. Allerdings ist eine vermehrte Replikation von Legionellen und Mykobakterien in der Wirtsmutante zu beobachten. In Zusammenarbeit mit Salvatore Bozzaro (Turin, Italien) konnte gezeigt werden, dass während einer Infektion mit L. pneumophila die nramp-Expression sinkt und bereits nach 48 h annähernd keine nramp-RNA im Northern-Blot nachweisbar ist. Im Gegensatz dazu bleibt die nramp-Expression während einer Infektion mit M. avium relativ konstant. In Infektionsstudien konnte nachgewiesen werden, dass sich die Endozytobionten TUME1, UWE25 und UWC6 in D. discoideum vermehren können. Mit Hilfe von spezifischen Cy3-markierten 16S-rRNA Sonden wurde die intrazelluläre Zunahme der Bakterien über 48 h beobachtet. Zum Zeitpunkt 48 h nach Inokulation konnte eine erhöhte Anzahl der drei Endozytobionten in D. discoideum festgestellt werden. Anhand von elektronenmikro-skopischen Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass die Stämme TUME1 und UWE25 im Zytoplasma des Wirtes von membranösen Strukturen eng umschlossen sind. UWC6 konnte sowohl in Vakuolen als auch frei im Zytoplasma nachgewiesen werden. Die Lokalisierung der Endozytobionten entspricht ihrer Lokalisierung in ihren natürlichen Wirten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Funktionsanalyse des Mip-Proteins aus L. pneumophila. Das Mip-Protein von Legionella gehört in die Klasse der FK506-Bindeproteine. Es besitzt Peptidyl-Prolyl cis/trans Isomeraseaktivität und bildet Homodimere. Mip kann an die extrazelluläre Matrix von Lungenepithelzellen binden, speziell an das Collagen IV. Mit Hilfe von Transwell-Versuchen konnte festgestellt werden, dass Mip für die Penetration von Legionella durch eine Barriere aus Lungenepithelzellen verantwortlich ist. Die Penetrationsfähigkeit konnte nach Hemmung der PPIase-Aktivität durch FK506 bzw. Rapamycin gehemmt werden. Ebenso waren Legionellen nach Hemmung der Serinproteaseaktivitäten im Transwell-System nicht mehr in der Lage die Barriere aus Epithelzellen mit extrazellulärer Matrix zu durchwandern. Mit Hilfe von Degradationsassays mit S35-markierter extrazellulärer Matrix konnte gezeigt werden, dass mip-positive Legionellen extrazelluläre Matrix degradieren können. Nach Hemmung der PPIase-Aktivität bzw. Serinproteaseaktivität konnten mip-positive Legionellen extrazelluläre Matrix nicht mehr degradieren.…
• The facultative intracellular bacterium Legionella pneumophila is the etiological agent of Legionnaire’s disease. It was first described in the year 1977 after isolation of the lung of a patient who had a severe atypical pneumonia. The bacterium possesses a dual host system and can replicate within protozoa and human cells. The main focus of this work was to identify host cell factors which are important during Legionella infection. As a host model system we used the social amoeba Dictyostelium discoideum. In cooperation with Patrick FarbrotherThe facultative intracellular bacterium Legionella pneumophila is the etiological agent of Legionnaire’s disease. It was first described in the year 1977 after isolation of the lung of a patient who had a severe atypical pneumonia. The bacterium possesses a dual host system and can replicate within protozoa and human cells. The main focus of this work was to identify host cell factors which are important during Legionella infection. As a host model system we used the social amoeba Dictyostelium discoideum. In cooperation with Patrick Farbrother (University of Cologne) who established a Dictyostelium DNA-microarray we have been able to investigate the gene expression of Dictyostelium during Legionella infection. The microarray consists of 5906 gene-specific probes representing about half the genome of D. discoideum. As controls we isolated RNA from uninfected cells and cells after coincubation with L. hackeliae as well as a dotA-mutant of L. pneumophila. Both are Legionella strains with reduced pathogenicity and a deleted pathogenicity gene respectively. Approximately 24 h after infection we identified 140 differentially expressed D. discoideum genes. Some of these genes encode well characterised D. discoideum proteins like RtoA (ratioA, vesicle fusion protein), Discoidin I, CotB (spore coat protein SP70) and the lysosomal α-Mannosidase. By homology searches the functions of others could be assigned, like the chaperones ClpB (heat shock protein Hsp104), β’-COP (coat protein) and three calcium-binding proteins. When characterising the probes by cellular processes the alteration of gene expression was analysed on functional level. A lot of genes were regulated whose products are involved in nucleotid metabolism or that are ribosomal proteins. Furthermore we investigated the role of the Nramp-protein of D. discoideum. L. pneumophila as well as M. avium were more efficiently phagocytosized from wildtype Dictyostelium than from nramp-mutants. In contrast to phagocytosis, the replication rate of both bacteria was much higher in the mutant than in the wildtype. In cooperation with Salvatore Bozzaro (Turin, Italy) we have been able to show a decrease of nramp-expression during infection with Legionella. Approximately 48 h after infection virtually no nramp-RNA was detectable by northern blots. In contrast to these results, the nramp-expression was nearly constant during an infection by Mycobacteria. By infection studies it was shown that the endocytobionts TUME1 UWE25 and UWC6 were able to replicate within D. discoideum. The intracellular increase of the bacteria within 48 h was detected by fluorescent in situ hybridisation with specific Cy3-labeled 16S-rRNA probes. By means of electron micrographs we were able to show that the strains TUME1 and UWE25 resided within the host cytoplasm closely surrounded by membranous structures. UWC6 was found in vacuoles as well as in the cytoplasm. Localisation of the endocytobionts corresponds to their localisation in their natural hosts. A further aim of this work was to investigate the function of the L. pneumophila Mip-protein. The Mip-protein of Legionella belongs to the FK506 binding proteins. Mip exhibits peptidyl-prolyl cis/trans isomerase activity and creates homodimers. We showed that mip binds to the extracellular matrix of lung epithelial cells especially to collagen IV. By using the transwell-system we demonstrated that Mip is responsible for Legionella penetrating a barrier of lung epithelial cells and their extracellular matrix. After blocking the PPIase-activity by FK506 or Rapamycin, the ability of Legionella-penetration was dramatically reduced. Also after inhibition of serinprotease-activities in the transwell-system, Legionella was not able to penetrate through the barrier. Degradation-assays with S35-labeled extracellular matrix indicated that mip-positive Legionella are able to degrade extracellular matrix. After inhibiting the PPIase-activity or serinprotease-activities mip-positive Legionella were no longer able to degrade extracellular matrix.…