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Certain pathogenic bacteria adopt an intracellular lifestyle and proliferate in eukaryotic host cells. The intracellular niche protects the bacteria from cellular and humoral components of the mammalian immune system, and at the same time, allows the bacteria to gain access to otherwise restricted nutrient sources. Yet, intracellular protection and access to nutrients comes with a price, i.e., the bacteria need to overcome cell-autonomous defense mechanisms, such as the bactericidal endocytic pathway. While a few bacteria rupture the early phagosome and escape into the host cytoplasm, most intracellular pathogens form a distinct, degradation-resistant and replication-permissive membranous compartment. Intracellular bacteria that form unique pathogen vacuoles include Legionella, Mycobacterium, Chlamydia, Simkania, and Salmonella species. In order to understand the formation of these pathogen niches on a global scale and in a comprehensive and quantitative manner, an inventory of compartment-associated host factors is required. To this end, the intact pathogen compartments need to be isolated, purified and biochemically characterized. Here, we review recent progress on the isolation and purification of pathogen-modified vacuoles and membranes, as well as their proteomic characterization by mass spectrometry and different validation approaches. These studies provide the basis for further investigations on the specific mechanisms of pathogen-driven compartment formation.
Intracellular pathogenic microorganisms and toxins exploit host cell mechanisms to enter, exert their deleterious effects as well as hijack host nutrition for their development. A potential approach to treat multiple pathogen infections and that should not induce drug resistance is the use of small molecules that target host components. We identifed the compound 1-adamantyl (5-bromo-2-methoxybenzyl) amine (ABMA) from a cell-based high throughput screening for its capacity to protect human cells and mice against ricin toxin without toxicity. This compound efciently protects cells against various toxins and pathogens including viruses, intracellular bacteria and parasite. ABMA provokes Rab7-positive late endosomal compartment accumulation in mammalian cells without affecting other organelles (early endosomes, lysosomes, the Golgi apparatus, the endoplasmic reticulum or the nucleus). As the mechanism of action of ABMA is restricted to host-endosomal compartments, it reduces cell infection by pathogens that depend on this pathway to invade cells. ABMA may represent a novel class of broad-spectrum compounds with therapeutic potential against diverse severe infectious diseases.
Simkania negevensis (Sn) repliziert als Chlamydia-ähnliches obligat intrazelluläres Bakterium auch in einer membranumschlossenen Vakuole, die als SCV (engl. Simkania-containing vacuole) bezeichnet wird. Die SCV ist ein bis jetzt einzigartiges Kompartiment, das stark mit ER-Membranen assoziiert ist, wobei ER-Stress von den Bakterien blockiert wird. Die Morphologie der SCV scheint dabei in Epithelzellen (HeLa229, A549, HEp-2) als auch in Makrophagen (THP1) gleich zu sein. Die SCV stellt die erste intrazelluläre Berührungsfläche dar, an der Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen erfolgen, und dient gleichzeitig als Replikationsnische. Mithilfe der Identifizierung von humanen und bakteriellen Faktoren, die mit der ER-SCV-Membran assoziiert sind, sollten die Zusammensetzung der SCV sowie mögliche Interaktionen mit dem ER oder zellulären Transportwegen ermittelt werden. Vergleichsstudien von SCV-assoziierten Proteinen sollten Ähnlichkeiten zur chlamydialen Inklusion aufzeigen, für die bereits einige interagierende Wirtszellfaktoren beschrieben wurden. In dieser Arbeit wurde ein Aufreinigungsprotokoll etabliert, das sowohl für ER-SCVMembranen aus HeLa229 als auch THP1 geeignet war und für spätere Proteom- oder Lipidomanalysen diente. Über markierungsfreie massenspektrometrische Messungen konnten 302 bakterielle und 1178 humane Proteine in ER-(SCV-) Membranen und 885 bakterielle Proteine in aufgereinigten Sn identifiziert werden. In ER-(SCV-) Membranen von nicht und Sn-infizierten HeLa229 Zellen befanden sich 51 unterschiedlich verteilte und 57 transportassoziierte humane Proteine, die auf infektionsinduzierte Unterschiede beim intrazellulären Proteintransport hindeuteten. Eine entgegengesetzte Regulation von retro- und anterograd transportierten Proteinen konnte mithilfe von RNA-Interferenz und dem Einsatz geeigneter Inhibitoren bestätigt werden, wobei sich zeigte, dass Clathrin-assoziierte und COPI-Vesikel eine zentrale Rolle spielen. Retro-Inhibitoren, die den retrograden Transport zwischen Endosomen zum Golgi oder zwischen frühen und späten Endosomen inhibieren, sowie Bafilomycin A1 (retrograd, späte Endosomen und Lysosomen) und Brefeldin A (anterograd, ER und Golgi), beeinflussten massiv die SCV-Ausbildung, SCV-Morphologie und den intrazellulären Lipidtransport. Über markierungsfreie massenspektrometrische und dünnschichtchromatographische Analysen konnten erste Unterschiede im Lipidvorkommen in Sn-infizierten Zellen, an ER-SCVMembranen und in aufgereinigten Sn im Vergleich zu nicht infizierten Zellen ermittelt werden. Dabei konnten neben An- und Abreicherungen in Gesamtzellextrakten sowie ER-SCVMembranen zwei infektionsspezifische Lipide, Cholesterol-ß-D-Glykosid und PE 30:0, identifiziert werden. Weiterführende umfangreiche RNA-Interferenzstudien weisen darauf hin, dass die Sn-Infektion vom Endosomen-zum-Golgi-Transport und vom Clathrin-assoziierten Vesikeltransport abhängig ist. Zusammenfassend konnten erste mögliche SCV-assoziierte Proteine und Lipide identifiziert werden, die mit der bakteriellen Infektion verbunden waren. Des Weiteren hängen eine stabile SCV-Ausbildung und Sn-Infektivität von verschiedenen retrograden Transportwegen und damit von dem Erwerb von Nährstoffen wie bspw. Lipiden ab.