Claudia Hübner

• Neisseria meningitidis, ein pathogenes Bakterium, das schwere Fälle von Sepsis und Meningitis verursacht, interagiert während der Infektion mit verschiedenen Oberflächen des Wirtes. Die schnellstmögliche Anpassung an die spezifischen Milieubedingungen im Wirtsorganismus ist daher ein essentieller Schritt in der Pathogenese. Durch Verwendung von DNA-Mikroarrays, die auf gespotteten Oligonukleotiden basieren, wurde das Transkriptionsprofil von N. meningitidis während der Infektion von Epithel- und Endothelzellen analysiert. Zur Analyse wurde dieNeisseria meningitidis, ein pathogenes Bakterium, das schwere Fälle von Sepsis und Meningitis verursacht, interagiert während der Infektion mit verschiedenen Oberflächen des Wirtes. Die schnellstmögliche Anpassung an die spezifischen Milieubedingungen im Wirtsorganismus ist daher ein essentieller Schritt in der Pathogenese. Durch Verwendung von DNA-Mikroarrays, die auf gespotteten Oligonukleotiden basieren, wurde das Transkriptionsprofil von N. meningitidis während der Infektion von Epithel- und Endothelzellen analysiert. Zur Analyse wurde die isogene kapseldefiziente siaD-Mutante des N. meningitidis Stammes MC58 verwendet. 72 Gene konnten nach Kontakt mit Epithelzellen und 48 Gene nach Kontakt mit Endothelzellen als differential reguliert identifiziert werden. Darunter auch eine große Anzahl von Virulenzgenen. Während ein Teil der detektierten Gene in beiden Systemen als differentiell reguliert galt, gab es doch eine Anzahl von ORF´s, die nur für ein Zellkulturmodell spezifisch reguliert waren (59 spezifische Gene für HEp-2 und 35 spezifische Gene für HBMEC). Für einige ausgewählte Gene wurde die im Mikroarray detektierte Regulierung durch Quantitative RT-PCR nochmals bestätigt. Die Funktion von den als induziert identifizierten Genen rfaF, hem und NMB1843 wurde im Anschluß durch die Konstruktion von Mutanten näher untersucht. Das rfaF-Gen, eine in der LPS Biosynthese involvierte Heptosyl-II-transferase, wurde in beiden Zellkultursystemen als differentiell reguliert identifiziert. Die Deletion des Gens führte speziell für den bekapselten Stamm MC58 zu einer signifikanten Erhöhung der Adhärenz und Invasion nach Infektion von Epithelzellen. Untersuchungen des Infektionspotential für HBMEC Zellen ergaben keine signifikant veränderte Adhärenz und Invasion. Bei zusätzlicher Deletion von rfaF in einem opc negativen Stamm konnte eine Abnahme der bakteriellen Aufnahme im Zellkulturmodell HBMEC beobachtet werden. Dagegen zeigten die opc, rfaF negativen Mutanten nach Kontakt mit HEp-2 Zellen keine verminderte Invasion. Weiterhin führte die Deletion des rfaF-Gens zu einer verstärkten Sensibilität gegenüber humanen Serum. Diese Daten deuten daraufhin, dass die LPS-Struktur eine Rolle in der bakteriellen Zellinteraktion spielt, speziell wenn eine für die Adhäsion wichtige Komponente nicht mehr exprimiert wird. Der ORF NMB1843, der für einen Transkriptionsregulator aus der MarR-Familie kodiert, ebenso wie das Hämolysin Gen konnten nur nach Kontakt mit HBMEC Zellen als differentiell reguliert identifiziert werden. In Infektionsstudien zeigten die hem-Mutanten keine veränderte Adhärenz und Invasion. Weiterhin war die Zytotoxizität der Mutanten nicht eingeschränkt. Ob der ORF NMB1646 daher als Hämolysin fungiert bleibt zu klären. Durchgeführte Mikroarraystudien mit den NMB1843-Mutanten, führten zur Identifizierung einiger ORF´s, die möglicherweise unter der Kontrolle dieses Regulators stehen. Dazu gehören die Virulenz assoziierten Gene sodC, iga und nadA sowie das für ein Hämolysin kodierende Gen NMB1779. Die Untersuchung des Expressionsprofils mittels SDS-PAGE Analyse führte zur Identifizierung einer Proteinbande bei 210 kDa, die spezifisch für die NMB1843 negativen Stämme ist. Dieses Protein wurde als nadA identifiziert. NadA induziert im Tiermodell bakterizide Antikörper und gilt daher als möglicher Impfstoffkandidat. Die in dieser Arbeit vorgelegten Daten liefern neue Einblicke in die Pathogenitätsmechanismen von N. meningitidis und belegen die Bedeutung der transkriptionellen Genregulation in den einzelnen Stadien der Meningokokkeninfektion.…
• Neisseria meningitidis is a major cause of septicemia and meningitis. During the course of infection, N. meningitidis encounters multiple environments within its host, which makes rapid adaptation to environmental changes a crucial factor for neisserial pathogenicity. As technology platform oligonucleotide-based DNA microarrays were employed to analyse the transcriptome profile of N. meningitidis during two key steps of meningococcal infection: the interaction with epithelial and endothelial cells. The isogenic capsule deficient siaD mutant ofNeisseria meningitidis is a major cause of septicemia and meningitis. During the course of infection, N. meningitidis encounters multiple environments within its host, which makes rapid adaptation to environmental changes a crucial factor for neisserial pathogenicity. As technology platform oligonucleotide-based DNA microarrays were employed to analyse the transcriptome profile of N. meningitidis during two key steps of meningococcal infection: the interaction with epithelial and endothelial cells. The isogenic capsule deficient siaD mutant of the N. meningitidis strain MC58 was used for this study. Seventy-two genes were differentially regulated after contact with epithelial cells, and 48 genes were differentially regulated after contact with endothelial cells, including a considerable proportion of well-known virulence genes. While several genes were in concordance between bacteria adherent to both cell types, there were a considerable number of open reading frames that were differentially regulated in only one system (59 genes specific for HEp-2 and 35 genes specific for HBMEC). Quantitative RT-PCR analyses confirmed the microarray observed regulation for several selected ORF´s. Subsequently, the function of the upregulated genes rfaF, hem and NMB1843 was investigated by construction of mutants. The rfaF gene, encoding a heptosyl-2-transferase involved in LPS biosynthesis, were detected as being differentially regulated in both cell systems. Disruption of the rfaF gene in meningococcal strain MC58 resulted in a significantly increased adhesion and invasion to epithelial cells in particular for the capsulated mutant. Investigations of the infection potential for HBMEC cells did not result in a significant change in adherence and invasion pattern. The additional deletion of the rfaF gene in an opc negative strain leads to a significantly decrease in the bacterial uptake for HBMEC cells. Compared to HBMEC, opc, rfaF mutants showed no differences in internalisation after contact with HEp-2 cells. Moreover rfaF deficient meningococci demonstrated enhanced sensitivity to normal human serum (NHS). These data provide evidence that the LPS structure plays a role in the bacterial cell interaction, particularly if an important adhaesive structure is absent. The ORF NMB1843, which encodes a transcriptional regulator of the MarR family, as well the hemolysin gene, were detected as being upregulated only after contact with endothelial cells. Using infection assays, no changes were detected in the adherence and invasion pattern for hem mutants. Furthermore the cytotoxic potential of the mutants was not different from the parental strains. Therefore it remains to be clarified whether the ORF NMB1646 actually act as a hemolysin. Microarray studies for the NMB1843 mutants showed some ORF´s, which possibly are under control of this regulator, for example the virulence genes sodC, iga and nadA as well as the hemolysin coding gene NMB1779. The analysis of the expression profile by SDS-PAGE led to the identification of a 210 kDa protein, which is specific for the NMB1843 negative strains. This unknown protein was identified as nadA. NadA evokes a strong antibactericidal antibody response in laboratory animals. For this reason NadA is regarded as a good vaccine candidate. The data represented in this study provide new insight into the pathogenicity mechanisms of N. meningitidis and could demonstrate the importance of gene regulation on the trancriptional level during different stages of meningococcal infection.…