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Neisseria meningitidis ist eine der führenden Ursachen von Morbidität und Mortalität sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen. Die Typisierung ist die Grundlage für die epidemiologische Überwachung der Erkrankung durch Meningokokken. Die Endonuklease NmeDI ist spezifisch für die klonalen Linien des ST-8 und ST-11 Komplex Meninkokken, die mit Erkrankungen der Serogruppe C assoziiert sind. Deshalb wurde für die rasche Identifizierung von Stämmen dieser Linien ein monoklonaler Antikörper entwickelt. Der Antikörper erkennt spezifisch die ST-8 und ST-11 Komplex Meningokokken in Western-Blot und Dot-Blot. Er wird mitlerweile routinemäßig im Nationalen Referenzzentrum für Meningokokken zur Identifizierung der Linien ohne zusätzliche Anwendung der Multilokus Sequenz Typisierung (MLST) eingesetzt.
Meningokokken sind nach wie vor eine wichtige Ursache für Gehirnhautentzündungen und Sepsen weltweit, vor allem bei Kindern und Jugendlichen. Weil viele Pathomechanismen dieses Erregers bislang noch unvollständig verstanden sind, wurden im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit populationsbiologische und pathogenetische Aspekte von Neisseria meningitidis untersucht. Die Kapsel ist der hauptsächliche Pathogenitätsfaktor von Meningokokken und wichtig für die Besiedelung von neuen Wirten. Isolate von symptomfreien Trägern sind allerdings häufig unbekapselt. Um Ursachen oder Mechanismen für den Verlust der Kapselexpression aufzudecken, wurden insgesamt 166 Isolate der Bayerischen Meningokokkenträgerstudie untersucht. Alle Isolate besaßen sämtliche zur Kapselsynthese notwendigen Gene, exprimierten aber keine Kapsel. Bei 39 Isolaten fanden sich Längenvariationen in homopolymeren Sequenzen (slipped strand mispairing, SSM) in den Genen siaA und siaD. 46 Isolate enthielten Insertionselemente (IS1301, IS1016 und IS1106) in den Genen der Kapselsynthese. Irreversible Mutationen (Deletionen, Insertionen, Basensubstitutionen) wurden bei 47 Isolaten gefunden. Veränderungen der Promotorregion schienen keine Rolle zu spielen. Es wurden bei insgesamt sechs Isolaten zwei nicht-synonyme Mutationen in unmittelbarer Nähe zum putativen aktiven Zentrum der UDP-N- Acetylglukosamin-2-Epimerase entdeckt, die einen Verlust der Kapselsynthese erklären könnten. Insgesamt wurden keine Akkumulationen von Mutationen in defekten Genen gefunden und es gab auch keine Korrelationen zwischen den verschieden Ursachen und bestimmten klonalen Linien. Die erhaltenen Ergebnisse legen nahe, dass die meisten der zur Blockierung der Kapselexpression führenden Ereignisse erst im aktuellen Wirt aufgetreten sind und dass zumindest bei bestimmten klonalen Linien die Verbreitung von der Expression einer Kapsel abhängig ist. Viele pathogene Bakterien nutzen zur Infektion des Menschen die ubiquitär im Körper vorkommende Protease Plasmin. Dazu binden diese Plasmin oder das Proenzym Plasminogen. Auch Meningokokken interagieren mit Plasmin und Plasminogen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten drei Rezeptormoleküle für Plasminogen identifiziert werden. Die drei Proteine Enolase, DnaK und Peroxiredoxin konnten mit verschiedenen Methoden auf der Oberfläche der Erreger nachgewiesen werden. Die Bindung des Plasminogens ist bei Meningokokken ausschließlich über Lysinreste der Rezeptoren vermittelt, die C-terminalen Lysinreste der hier identifizierten Rezeptormoleküle spielen aber, wenn überhaupt, nur eine untergeordnete Rolle. Die Bindung von Plasminogen war durch rekombinante Rezeptorproteine konzentrationsabhängig inhibierbar. Plasminogen konnte von Meningokokken auch aus dem Serum rekrutiert werden. Gebundenes Plasminogen war mit uPA (Urokinase Plasminogen Aktivator) aktivierbar und physiologisch aktiv, was durch die Degradation von Fibrinogen nachgewiesen wurde. Das gebundene Plasmin wurde durch die Bakterien vor der Desaktivierung durch α2- Antiplasmin geschützt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass Meningokokken auch mit weiteren Faktoren des Fibrinolyse-Systems (uPA) interagieren. Sie rekrutierten uPA an ihre Oberfläche und gebundenes uPA war physiologisch aktiv. Die erhaltenen Ergebnisse bestärken die These, dass Meningokokken die Faktoren des Fibrinolyse-Systems für ihre Pathogenese nutzen.
Zahlreiche humanpathogene bakterielle Erreger können ihre Fähigkeit zur Kolonisation epithelialer Barrieren optimieren, indem sie mit dem Zellzyklus der infizierten Wirtszelle in Wechselwirkung treten und so die Abschilferung und Erneuerung des Epithels verzögern. Die hierbei wirksamen bakteriellen Effektoren sind als „Cyclomoduline“ bekannt und gelten als neue Klasse bakterieller Pathogenitätsfaktoren. Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war es zu untersuchen, ob durch die Infektion menschlicher pharyngealer Epithelzellen mit N. meningitidis der Zellzyklus der Wirtszelle beeinflusst wird. Mit zwei verschiedenen Untersuchungsmethoden konnte übereinstimmend gezeigt werden, dass die Infektion der Epithelzelllinie Detroit 562 mit verschiedenen Meningokokkenisolaten zu einer signifikanten Akkumulation von Epithelzellen in der G1-Phase führte. Dieser Effekt wurde sowohl von pathogenen Meningokokkenstämmen als auch von Trägerstämmen ausgelöst, jedoch nur durch Isolate, die fähig zur Adhärenz und zur Invasion in die Epithelzelle waren. Durch Hitzebehandlung der Bakterien konnte der Zellzyklusarrest vollständig aufgehoben werden. Ebenso konnte der Effekt durch Inkubation der Epithelzellen mit bakteriellen Kulturüberständen und durch Infektion der Zellen mit E. coli-Stämmen, welche die Meningokokkenadhäsine Opa und Opc überexprimieren, nicht ausgelöst werden.
Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass die Infektion mit N. meningitidis in der Zielzelle zu einer signifikant gesteigerten Expression des CDK-Inhibitors p21WAF1/Cip1 führte, begleitet von einer vermehrten Lokalisation im Zellkern. Auch zeigte sich eine veränderte Proteinexpression der für die G1-Phase relevanten Cycline D und E. Diese scheint sich erst posttranslational zu ereignen, da die unterschiedliche Expression auf mRNA-Ebene nicht festgestellt werden konnte.
Zusammenfassend konnte dargestellt werden, dass die Infektion von Pharynxepithelzellen mit lebenden, zur Adhärenz und Invasion fähigen Meningokokkenstämmen in der menschlichen Zielzelle einen Zellzyklusarrest in der G1-Phase verursacht, vermutlich durch veränderte Expression der Zellzyklusregulatoren p21WAF1/Cip1, Cyclin D und Cyclin E. Möglicherweise stellt die Induktion dieses Zellzyklusarrestes einen wichtigen Schritt in der Pathogenese der bakteriellen Kolonisation des oberen Atemwegsepithels durch N. meningitidis dar.
Meningokokken gehören zu den wichtigsten Erregern bakterieller Sepsis und Meningitis. Der Schweregrad des Krankheitsverlaufs bei Meningokokkenerkrankungen korreliert mit der Konzentration an proinflammatorischen Zytokinen im Serum. Dendritische Zellen (DZ) bilden die erste Abwehr am humanen Epithel des Nasopharynx, welches die Eingangspforte von Neisseria meningitidis darstellt und sind eine wichtige Quelle proinflammatorischer Zytokine. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass bekapselte Meningokokken-Stämme bei DZ signifikant weniger proinflammatorische Zytokine als isogene Kapsel-defiziente Stämme oder obligat unbekapselte Stämme induzieren. Dieser Effekt ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung der Kapsel, da aufgereinigtes Kapselpolysaccharid der Serogruppe B nicht den reduzierenden Effekt der Zytokininduktion beeinflusste. Darüber hinaus spielt die Kapsel-O-Acetylierung bei Serogruppe C, W-135 und Y nur eine untergeordnete Rolle bei der Erkennung von Meningokokken durch DZ. Microarray Versuche zum Transkriptionsprofil von DZ, die mit dem konstitutiv unbekapselten Trägerisolat alpha 14, dem bekapselten MC58 oder dem isogenen unbekapselten Stamm MC58siaD durchgeführt wurden, zeigten nach 4 h ein identisches Profil von proinflammatorischen Zytokinen. Nur der phagozytierte unbekapselten Stamm MC58siaD zeigte eine differentielle Regulation von weiteren Zytokinen. Jedoch glich sich das Profil nach 18 h Infektion durch alle drei Stämme an. Der Scavenger Rezeptor der Klasse A (SR-A) wurde als Hauptrezeptor identifiziert, der die Erkennung und Phagozytose von Meningokokken durch DZ initialisiert. Eine Assoziation phagozytierter Meningokokken mit SR-A konnte mittels Elektronenmikroskopie bestätigt werden. Nach Infektion von THP-1 Makrophagen mit bekapselten Serogruppe B und C Stämmen, den isogenen Kapsel-defizienten Stämmen und dem obligat unbekapselten Stamm alpha 14 wurde auf Transkriptionsebene keine differentielle Regulation der SR-A nachgewiesen. Lediglich eine minimale Hochregulation des SR-A auf der zellulären Oberfläche konnte nach einer Stunde Infektion verzeichnet werden. Nach Infektion von DZ oder THP-1 Makrophagen mit MC58siaD kommt es zur Dephosphorylierung des SR-A. Unter Verwendung von globalen Phagozytose-Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass für die maximale Induktion der proinflammatorischen Zytokine TNF-alpha, IL-6 und IL-1 Phagozytose von N. meningitidis benötigen wird, dies ist jedoch für die IL 8 Produktion nicht notwendig. Außerdem konnte gezeigt werden, dass mit dem spezifischen SR-A Inhibitor poly G eine Reduktion von TNF-alpha, IL-6, IL-1 und IL-8 zu verzeichnen war. Folglich ist die Phagozytose über SR-A nötig, um TNF-alpha, IL-6 und IL-1 zu induzieren, jedoch nur die Erkennung aber nicht die Phagozytose via SR-A die IL-8 Produktion initiiert. Die Aufnahme von Neisseria meningitidis über den SR-A durch DZ ist damit nicht nur für die Phagozytose und Abtötung verantwortlich sondern auch für die Zytokininduktion wichtig ist. Es gibt jedoch auch Meningokokken Stämme, die nicht vom SR-A erkannt werden. Mit alpha 14 konnte erstmals ein Meningokokken-Stamm identifiziert werden, der nicht an SR-A bindet. Die Induktion von Zytokinfreisetzung durch alpha 14 erfolgt dementsprechend unabhängig von SR-A und nach Kontakt von alpha 14 mit humanen DZ ist keine Veränderung der Phosphorylierungsstatus dieses Rezeptors zu beobachten. Die erhobenen Daten legen eine zentrale Rolle von SR-A in der Induktion von Immunität gegen N. meningitidis nahe.
Neisseria meningitidis ist ein humaner Infektionserreger, der Meningitis und Sepsis hervorruft. Das asymptomatische Trägertum im Nasenrachenraum ist entscheidend für die Übertragung des Bakteriums und dessen Interaktion mit dem menschlichen Wirt. Frühere Beobachtungen legen die Annahme nahe, dass Meningo¬kokken im Tonsillengewebe in einem biofilmähnlichen Stadium vorliegen. Daher werden in vitro Biofilme als Modell für das Trägertum verwendet. Expressionsunterschiede zwischen Biofilmen und planktonisch gewachsenen pathogenen Neisserien wurden in wenigen Transkriptomanalysen untersucht, während bisher keine Proteomanalysen durchgeführt wurden. Kartierungen des Proteoms und des Immunoproteoms von Meningokokken liegen allerdings vor. In dieser Studie wurde das Biofilmproteom des unbekapselten N. meningitidis Stammes WUE3671 im Vergleich zum Proteom der planktonisch gewachsenen Bakterien untersucht. Dazu wurde ein auf Silikonschläuchen basierendes Biofilmmodell mit kontinuierlichem Fluss etabliert. Es erfolgte eine Anreicherung bakterieller Biomasse über 48 h, wobei die kolonie-bildenden Einheiten bei 24 h ein Plateau erreichten. Licht- und Elektronen¬mikroskopie belegten die deutliche Zunahme der Biomasse über 48 h und zeigten zudem eine Struktur-ierung des 48 h Biofilms in eine apikale Region mit überwiegend vitalen Meningokokken und eine basale Region mit einer verstärkten Anzahl von Bakterien mit avitalem Erscheinungs-bild. Das Proteom von N. meningitidis Biofilmen, die 24 beziehungsweise 48 h gewachsen waren, wurde mit dem einer exponentiell gewachsenen planktonischen Kultur mit 2D-Gelelektro¬phorese verglichen. Unterschiedlich exprimierte Proteine wurden mit Massen-spektrometrie identifiziert und die Ergebnisse mit Spectral Counting und, wenn möglich, mit spezifischen Antikörpern abgesichert. Die Expression von ungefähr 2 % aller Proteinspots im Biofilm unterschied sich von der in planktonischen Zellen wenigstens um das 2-fache. Es wurden Veränderungen beobachtet, die mit einem Nährstoff- und Sauerstoffmangel sowie einer Zunahme von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) in Verbindung gebracht werden können. Die Expression der Proteine SodC und MntC war im Biofilm deutlich erhöht, was mutmaßlich auf ROS im Biofilm zurückzuführen ist. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass MntC in der Tat essentiell für Biofilmwachstum, nicht aber für planktonisches Wachstum ist. Die Daten zu SodC und MntC legen die Hypothese nahe, dass Meningokokken im Biofilm trainiert werden mit Mediatoren des Immunsystems, wie ROS, umzugehen. Zudem wird NMB0573, ein Lrp-Homolog, als wesentlicher globaler Regulator für metabolische Anpassungen im Biofilm postuliert. Es konnte über die Proteomanalyse hinaus gezeigt werden, dass die Adhäsine Opc und Opa, die unter der Kontrolle von NMB0573 stehen, im Biofilm vermindert exprimiert werden.
Meningococci spread via respiratory droplets, whereas the closely related gonococci are transmitted sexually. Several outbreaks of invasive meningococcal disease have been reported in Europe and the United States among men who have sex with men (MSM). We recently identified an outbreak of serogroup C meningococcal disease among MSM in Germany and France. In this study, genomic and proteomic techniques were used to analyze the outbreak isolates. In addition, genetically identical urethritis isolates were recovered from France and Germany and included in the analysis. Genome sequencing revealed that the isolates from the outbreak among MSM and from urethritis cases belonged to a clade within clonal complex 11. Proteome analysis showed they expressed nitrite reductase, enabling anaerobic growth as previously described for gonococci. Invasive isolates from MSM, but not urethritis isolates, further expressed functional human factor H binding protein associated with enhanced survival in a newly developed transgenic mouse model expressing human factor H, a complement regulatory protein. In conclusion, our data suggest that urethritis and outbreak isolates followed a joint adaptation route including adaption to the urogenital tract.
In the present thesis, two projects on the use of microarray technology for molecular epidemiology of Neisseria meningitidis have been followed. The first one evaluated microarrays based on polymorphism-directed oligonucleotide design for typing of N. meningitidis adopting the multilocus sequence typing (MLST) concept. The number of oligonucleotides needed to cover all known polymorphisms was much lower compared to the number needed if a tiling strategy would have been chosen. Initial experiments using oligonucleotides 28-32 nucleotides in length, revealed that the applied hybridisation protocols were highly specific. However, despite of several optimisation steps, the rate of misidentification of oligonucleotides remained >1.8% in consecutive validation experiments using arrays representing the genetic diversity at three MLST loci. This finding led to the assumption that the high density of polymorphic sites and extensive GC-content variations at N. meningitidis MLST loci hindered the successful implementation of MLST microarrays based on polymorphism-directed oligonucleotide design. In the 1980s, the ET-15 clone emerged within the ST-11 complex of N. meningitidis. This new clone was associated with severe meningococcal disease and outbreaks world-wide. Therefore, the goal of the second project was to identify genetic differences between ET-15 strains and other ST-11 strains using whole genome microarray technology. Three genes encoding hypothetical proteins were identified to be present in all ET-15 strains but absent in other ST-11 strains. This finding together with unpublished observation from our group suggested that several genome alterations occurred before the clonal expansion of the ET-15 clone started. The role that these three genes play in the pathogenicity of the ET-15 clone is unclear. The genome comparisons revealed furthermore that studies of the ET-15 clone displayed approximately two-fold less gene content variation than ST-11 strains not belonging to the ET-15 clone. This finding is in accordance with the recent emergence and clonal expansion of the ET-15 variant.
Neisseria meningitidis (meningococcus) causes invasive diseases such as meningitis or septicaemia. Ex vivo infection of human whole blood is a valuable tool to study meningococcal virulence factors and the host innate immune responses. In order to consider effects of cellular mediators, the coagulation cascade must be inhibited to avoid clotting. There is considerable variation in the anticoagulants used among studies of N. meningitidis whole blood infections, featuring citrate, heparin or derivatives of hirudin, a polypeptide from leech saliva. Here, we compare the influence of these three different anticoagulants, and additionally Mg/EGTA, on host innate immune responses as well as on viability of N. meningitidis strains isolated from healthy carriers and disease cases, reflecting different sequence types and capsule phenotypes. We found that the anticoagulants significantly impact on cellular responses and, strain-dependently, also on bacterial survival. Hirudin does not inhibit complement and is therefore superior over the other anticoagulants; indeed hirudin-plasma most closely reflects the characteristics of serum during N. meningitidis infection. We further demonstrate the impact of heparin on complement activation on N. meningitidis and its consequences on meningococcal survival in immune sera, which appears to be independent of the heparin binding antigens Opc and NHBA.
128 Meningokokkenstämme unterschiedlicher klonaler Linien und Serogruppen aus verschiedenen Ländern wurden im Rahmen eines Screenings auf die Präsenz von Plasmiden untersucht. Aus 66% der Stämme konnten Plasmide isoliert werden. Diese waren innerhalb der verschiedenen klonalen Linien spezifisch verteilt. Das 1,986 kb große Plasmid pJS-A (EMBL Accession Number AJ238491) fand sich ausschließlich in Serogruppe A Stämmen der Subgruppe VI. Das 7,245 kb große Plasmid pJS-B (EMBL Accession Number AJ277475) wurde in 91% der untersuchten ET-37 Stämme und in 67% der nahe verwandten Cluster A4 Stämme gefunden. Es ist ein hochspezifischer Marker für diese klonalen Linien. Aus Vertretern des ET-5 Komplexes konnten keine Plasmide isoliert werden. Die Plasmide pJS-A und pJS-B wurden vollständig sequenziert. Beide zeichnen sich durch einen für Meningokokken untypisch hohen AT-Gehalt aus (pJS-A: 55,4%, pJS-B: 57,9%). Auf pJS-A befinden sich zwei, auf pJS-B acht offene Leseraster. Der Vergleich der abgeleiteten Aminosäuresequenzen ergab für beide Plasmide keine signifikanten Homologien zu Datenbankeinträgen. Für pJS-B wurde an Position 20 bis 307 eine 93%ige Identität mit einer für das Genom des Gonokokkenstammes MS11-A beschriebenen Region festgestellt, welche die beiden Inverted Repeats IR1 und IR2 enthält und dem Gen pivNG benachbart ist, das für eine Rekombinase kodiert. Bei der Repeat-Region des Gonokokkenstammes MS11-A handelt es sich nach Carrick et al. möglicherweise um eine Rekombinationsstelle. Es konnte gezeigt werden, dass pJS-B über seine homologe Repeat-Region chromosomal integriert. Ob es jedoch als wirkliches Plasmid eigenständig replizieren kann, bleibt zweifelhaft. pJS-A und pJS-B stellen Beispiele für die spezifische und stabile Verteilung von DNA-Elementen in einer Bakterienpopulation dar, die sich grundsätzlich durch genetische Vielfalt und regen Austausch von DNA auszeichnet. pJS-B ist eines von vielen DNA-Elementen, die für den ET-37 Komplex und den Cluster A4 spezifisch sind. Dies unterstützt das Konzept der genetischen Isolierung dieser hypervirulenten Linien.
Neisseria meningitidis kann rasch tödlich verlaufende Erkrankungen wie die Meningokokken-Meningitis und –Sepsis hervorrufen. In den Industriestaaten werden diese Infektionen meist durch Meningokokken der Serogruppen B und C hervorgerufen. Während für die Serogruppe C bereits ein suffizienter Polysaccharidimpfstoff existiert, konnte ein solcher für Stämme der Serogruppe B aufgrund der Immuntoleranz gegen deren N-acetylneuraminsäure noch nicht gefunden werden. Eine Lebendvakzine könnte dieses Problem lösen, da hier viele verschiedene Antigene, welche eine Immunantwort im menschlichen Körper induzieren, zur Verfügung stünden. Die Voraussetzung für eine Lebendvakzine ist Attenuierung eines B-Meningokokken-Stammes durch die Deletion verschiedener Gene. In früheren Untersuchungen ergaben sich Hinweise darauf, dass die LOS-Sialylierung einen Virulenzfaktor darstellt. Das lst-Gen codiert für die α-2,3-Sialyltransferase, deren Aufgabe es ist, die Sialinsäurereste an die Lacto-N-Neotetraose des LOS zu binden. In unserer Arbeit konnten wir zeigen, dass eine lst-Deletionsmutante des Serogruppe-B-Stammes MC58 herstellbar ist. Das Wachstumsverhalten der Mutante in PPM+-Medium unterschied sich nicht von dem des Wildtyps. Auch die Resistenz der Bakterien gegenüber humanem Serum (bis 80%) blieb von der Deletion des lst-Gens unbeeinflusst. Bei der Interaktion mit Epithel- und Endothelzellen allerdings zeigte sich bei der Mutante eine erhöhte Invasivität. Da die Invasion durch Oberflächenproteine wie Opa und Opc vermittelt wird, wäre eine mögliche Begründung für diese Veränderung die bessere Zugänglichkeit dieser Proteine durch das Fehlen der LOS-Sialylierung. Meningokokken mit nicht sialyliertem LOS wurden außerdem von dendritischen Zellen signifikant besser phagozytiert als Wildtyp-Bakterien. Besonders deutlich zeigte sich dies bei fehlender Kapsel. Auch hier ist sicherlich die Maskierung von Bindungsstellen durch Sialinsäuregruppen ein Grund für diese Beobachtung. Weiterhin wurde die Interaktion von Meningokokken verschiedener Serogruppen mit dendritischen Zellen unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses der Polysaccharidkapsel untersucht. Die Meningokokken der untersuchten Serogruppen A, B und C wurden von dendritischen Zellen gut phagozytiert und abgetötet. Allerdings waren sowohl die Adhärenz als auch die Phagozytose bei Vorhandensein einer Polysaccharidkapsel stark inhibiert. Neisseria meningitidis-Stämme aller drei getesteten Serogruppen induzierten eine starke Ausschüttung der Zytokine TNF-α, IL-6 und IL-8. Als ein Induktor dieser Substanzen erwiesen sich die Lipooligosaccharide der Meningokokken. Allerdings zeigte sich in den Versuchen auch, dass noch weitere Bakterienbestandteile eine Zytokinausschüttung hervorrufen können. Die Sialylierung der Lipooligosaccharide hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Menge der produzierten Zytokine. Mit dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass dendritische Zellen mit der Ausschüttung von Zytokinen und der Phagozytose von Bakterien eine wichtige Rolle in der Pathogenese von Erkrankungen durch Meningokokken spielen könnten. Auch beim Zusammenspiel mit DC-s wirkt die Kapsel als Schutzfaktor vor dem Angriff des menschlichen Immunsystems. Dieser Schutz kann durch die LOS-Sialylierung zusätzlich gesteigert werden. Die Deletion des lst-Gens könnte also als ein Baustein für die Konstruktion eines attenuierten Lebendvakzine-Stammes fungieren.
Neisseria meningitidis, Auslöser der Meningokokken-Meningitis und Sepsis, trägt auch heute noch zur hohen Kindersterblichkeit in Entwicklungsländern bei und sorgt, vor allem im afrikanischen Meningitis-Gürtel, immer wieder für Epidemien mit gravierenden Folgen für die Betroffenen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei an der Pathogenität von N. meningitidis beteiligte Proteine, der Transkriptionsregulator FarR und der Transportkanal HrpB, näher charakterisiert, um weitere Einblicke in die immer noch nicht vollständig entschlüsselte Pathogenese der Meningokokken-Meningitis zu erhalten. Das Neisseria adhesin A NadA ist Bestandteil der sich aktuell in der Entwicklung befindenden Impfung gegen Meningokokken der Serogruppe B. Im dem bekapselten B-Stamm MC58 wurde gezeigt, dass nadA unter der negativen Kontrolle des Transkriptionsregulators FarR steht (Schielke et al., 2009). In den ebenfalls zur Gattung Neisseria gehörenden Neisseria gonorrhoeae (Ng) wurde bereits 2001 ein FarR-Homolog beschrieben (Shafer et al., 2001). NgFarR ist an der Resistenz gegenüber antimikrobiellen, langkettigen Fettsäuren beteiligt, indem es die Expression des FarABEffluxpumpen-Systems reguliert, welches eingedrungene Fettsäuren wieder nach extrazellulär befördert. Dagegen zeigten Palmitinsäure-Resistenztests, dass FarR nicht an der intrinsischen Fettsäure-Resistenz der Meningokokken beteiligt ist. Die Deletion und die Komplementierung von farR hatten weder in bekapselten noch in unbekapselten Meningokokken Einfluss auf das normale Wachstumsverhalten. Ein Western Blot- Nachweis des FarR-Proteins in der frühen, mittleren und späten exponentiellen Wachstumsphase von Wildtyp, Kapsel-Deletionsmutante und farR-Komplementante zeigte, dass die Menge an FarR im zeitlichen Verlauf kontinuierlich zunimmt und FarR damit Wachstumsphasen-abhängig exprimiert wird. Dabei scheint es einer posttranskriptionalen oder posttranslationalen Regulation zu unterliegen, da auch in dem farRkomplementierten Stamm unabhängig vom farR-Promotor eine entsprechende Hochregulation stattfindet. In Infektionsversuchen wurde die Interaktion zwischen Meningokokken und humanen polymorphkernigen Granulozyten untersucht. In den Infektionsassays wurde die farRDeletionsmutante innerhalb des dreistündigen Versuchsrahmens deutlich stärker durch die Granulozyten abgetötet als der Serogruppe B-Wildtyp. Als Mitglied der in Bakterien und Archaeen weit verbreiteten Familie der MarR-Transkriptionsregulatoren (Multiple antibiotic resistance Regulator, MarR) bindet FarR mit hoher Wahrscheinlichkeit auch als Homodimer an seine Bindesequenz auf der DNA. FarR erkennt eine 16 bp lange, palindromische Sequenz in der Promotorregion von nadA (NMB1994), wodurch die nadA-Expression verhindert wird. Außerdem erkennt FarR eine ähnliche Bindesequenz im Promotorbereich von farAB (NMB0318/0319), wobei es aber keinen regulatorischen Einfluss ausübt. Mit einer aus diesen beiden Bindestellen berechneten minimalen Bindesequenz wurde im Genom von MC58 weitere mögliche Bindepartner detektiert. Eine Auswahl dieser möglichen Bindestellen wurde in Electrophoretic Mobility Shift Assays auf eine direkte Interaktion mit dem FarR-Protein hin untersucht, wobei sich allerdings keine direkte Bindung nachweisen ließ. Diese Ergebnisse darauf hin, dass der Transkriptionsregulator FarR hoch spezifisch bestimmte DNA-Bindesequenzen erkennt und die entsprechenden Gene reguliert. In der Promotorregion des TpsB-Proteins HrpB wurde in den sequenzierten Referenzstämmen Z2491, MC58, FAM18 und α14 eine mit der minimalen FarR-Bindesequenz kompatible Sequenz gefunden. In Electrophoretic Mobility Shift Assays konnte allerdings gezeigt werden, dass FarR nicht direkt daran bindet. Um das Transport-Protein HrpB näher zu charakterisieren, wurde das entsprechende Gen in 22 N. meningitidis-Isolaten sequenziert. Dabei zeigte sich, dass das Transportprotein hrpB in allen untersuchten invasiven und nicht-invasiven Stämmen vorhanden ist. Dieses äußerst konservierte Protein weist nur im seinem C-terminalen Bereich eine relativ variable Region auf, was vermutlich auf Rekombinationsereignisse zurückzuführen ist. Ein Alignment der Aminosäure-Sequenz des Serogruppe C-Stamms FAM18 mit der des homologen Bordetella pertussis TpsB-Proteins FhaC zeigte, dass die dreidimensionale Struktur des HrpB ebenfalls eine α-Helix, eine transmembranöse Domäne und variable extrazelluläre Loops enthält. Zusammengenommen erfüllt HrpB somit wichtige Bedingungen, um als Vakzine-Bestandteil in Betracht gezogen zu werden.
Die Interaktion mit Gehirnendothelzellen stellt ein zentraler Schritt in der Infektionspathogenese von Neisseria meningitidis dar. In dieser Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass die Infektion von menschlichen Gehirnendothelzellen mit N. meningitidis zu einer transienten Aktivierung der sauren Sphingomyelinase (ASM) gefolgt von einer vermehrten Ceramidproduktion führt. Als Antwort auf die Infektion mit N. meningitidis kommt es zu einer vermehrten Präsentation der ASM und von Ceramiden an der äusseren Seite der Plasmamembran und zu einer Ausbildung von großen Ceramid-reichen Membran-Domänen, welche mit cortical plaque assoziierten Proteinen kolokalisieren. Bei dieser N. meningitids vermittelten Aktivierung der ASM spielt das bakterielle Aussenmembranprotein Opc sowie die Aktivierung der Phosphatidylcholin-spezifische Phospholipase C über die Interaktion von Opc mit Heparansulfat-Proteoglykane eine entscheidende Rolle. Die pharmakologische oder genetische Inhibition der ASM Funktion führt zu einer geringeren Invasivität der Meningokokken ohne dabei die Adhärenz zu beeinflussen. Im Einklang mit diesen Ergebnissen steht die Beobachtung, dass die geringere Invasivität von ausgewählten Isolaten des ST-11/ST-8 Komplex in menschlichen Gehirnendothelzellen direkt mit ihrer eingeschränkter Fähigkeit korreliert, die ASM zu aktivieren bzw. eine Ceramidproduktion zu induzieren. Schlussfolgernd ist die ASM Aktivierung und eine nachfolgende Ceramidproduktion essenziell für die Internalisierung von Opc-exprimierende Meningokokken in Gehirnendothelzellen und bietet einen Erklärungsansatz für die unterschiedliche Invasivität von verschiedenen N. meningitidis Stämmen.
The interaction with brain endothelial cells is central to the pathogenicity of Neisseria meningitidis infections. Here, we show that N. meningitidis causes transient activation of acid sphingomyelinase (ASM) followed by ceramide release in brain endothelial cells. In response to N. meningitidis infection, ASM and ceramide are displayed at the outer leaflet of the cell membrane and condense into large membrane platforms which also concentrate the ErbB2 receptor. The outer membrane protein Opc and phosphatidylcholine-specific phospholipase C that is activated upon binding of the pathogen to heparan sulfate proteoglycans, are required for N. meningitidis-mediated ASM activation. Pharmacologic or genetic ablation of ASM abrogated meningococcal internalization without affecting bacterial adherence. In accordance, the restricted invasiveness of a defined set of pathogenic isolates of the ST-11/ST-8 clonal complex into brain endothelial cells directly correlated with their restricted ability to induce ASM and ceramide release. In conclusion, ASM activation and ceramide release are essential for internalization of Opc-expressing meningococci into brain endothelial cells, and this segregates with invasiveness of N. meningitidis strains.
Author Summary
Neisseria meningitidis, an obligate human pathogen, is a causative agent of septicemia and meningitis worldwide. Meningococcal infection manifests in a variety of forms, including meningitis, meningococcemia with meningitis or meningococcemia without obvious meningitis. The interaction of N. meningitidis with human cells lining the blood vessels of the blood-cerebrospinal fluid barrier is a prerequisite for the development of meningitis. As a major pathogenicity factor, the meningococcal outer membrane protein Opc enhances bacterial entry into brain endothelial cells, however, mechanisms underlying trapping of receptors and signaling molecules following this interaction remained elusive. We now show that Opc-expressing meningococci activate acid sphingomyelinase (ASM) in brain endothelial cells, which hydrolyses sphingomyelin to cause ceramide release and formation of extended ceramide-enriched membrane platforms wherein ErbB2, an important receptor involved in bacterial uptake, clusters. Mechanistically, ASM activation relied on binding of N. meningitidis to its attachment receptor, HSPG, followed by activation of PC-PLC. Meningococcal isolates of the ST-11 clonal complex, which are reported to be more likely to cause severe sepsis, but rarely meningitis, barely invaded brain endothelial cells and revealed a highly restricted ability to induce ASM and ceramide release. Thus, our results unravel a differential activation of the ASM/ceramide system by the species N. meningitidis determining its invasiveness into brain endothelial cells.
Disruption of the blood-brain barrier (BBB) is a hallmark event in the pathophysiology of bacterial meningitis. Several inflammatory mediators, such as tumor necrosis factor alpha (TNF-a), nitric oxide and matrix metalloproteinases (MMPs), contribute to this disruption. Here we show that infection of human brain microvascular endothelial cells (HBMEC) with Neisseria meningitidis induced an increase of permeability at prolonged time of infection. This was paralleled by an increase in MMP-8 activity in supernatants collected from infected cells. A detailed analysis revealed that MMP-8 was involved in the proteolytic cleavage of the tight junction protein occludin, resulting in its disappearance from the cell periphery and cleavage to a lower-sized 50-kDa protein in infected HBMEC. Abrogation of MMP-8 activity by specific inhibitors as well as transfection with MMP-8 siRNA abolished production of the cleavage fragment and occludin remained attached to the cell periphery. In addition, MMP-8 affected cell adherence to the underlying matrix. A similar temporal relationship was observed for MMP activity and cell detachment. Injury of the HBMEC monolayer suggested the requirement of direct cell contact because no detachment was observed when bacteria were placed above a transwell membrane or when bacterial supernatant was directly added to cells. Inhibition of MMP-8 partially prevented detachment of infected HBMEC and restored BBB permeability. Together, we established that MMP-8 activity plays a crucial role in disassembly of cell junction components and cell adhesion during meningococcal infection.
A longstanding question in infection biology addresses the genetic basis for invasive behavior in commensal pathogens. A prime example for such a pathogen is Neisseria meningitidis. On the one hand it is a harmless commensal bacterium exquisitely adapted to humans, and on the other hand it sometimes behaves like a ferocious pathogen causing potentially lethal disease such as sepsis and acute bacterial meningitis. Despite the lack of a classical repertoire of virulence genes in N. meningitidis separating commensal from invasive strains, molecular epidemiology suggests that carriage and invasive strains belong to genetically distinct populations. In recent years, it has become increasingly clear that metabolic adaptation enables meningococci to exploit host resources, supporting the concept of nutritional virulence as a crucial determinant of invasive capability. Here, we discuss the contribution of core metabolic pathways in the context of colonization and invasion with special emphasis on results from genome-wide surveys. The metabolism of lactate, the oxidative stress response, and, in particular, glutathione metabolism as well as the denitrification pathway provide examples of how meningococcal metabolism is intimately linked to pathogenesis. We further discuss evidence from genome-wide approaches regarding potential metabolic differences between strains from hyperinvasive and carriage lineages and present new data assessing in vitro growth differences of strains from these two populations. We hypothesize that strains from carriage and hyperinvasive lineages differ in the expression of regulatory genes involved particularly in stress responses and amino acid metabolism under infection conditions.
Neisseria meningitidis (meningococcus) is a Gram-negative bacterium responsible for epidemic meningitis and sepsis worldwide. A critical step in the development of meningitis is the interaction of bacteria with cells forming the blood-cerebrospinal fluid barrier, which requires tight adhesion of the pathogen to highly specialized brain endothelial cells. Two endothelial receptors, CD147 and the β2-adrenergic receptor, have been found to be sequentially recruited by meningococci involving the interaction with type IV pilus. Despite the identification of cellular key players in bacterial adhesion the detailed mechanism of invasion is still poorly understood. Here, we investigated cellular dynamics and mobility of the type IV pilus receptor CD147 upon treatment with pili enriched fractions and specific antibodies directed against two extracellular Ig-like domains in living human brain microvascular endothelial cells. Modulation of CD147 mobility after ligand binding revealed by single-molecule tracking experiments demonstrates receptor activation and indicates plasma membrane rearrangements. Exploiting the binding of Shiga (STxB) and Cholera toxin B (CTxB) subunits to the two native plasma membrane sphingolipids globotriaosylceramide (Gb3) and raft-associated monosialotetrahexosylganglioside GM1, respectively, we investigated their involvement in bacterial invasion by super-resolution microscopy. Structured illumination microscopy (SIM) and direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) unraveled accumulation and coating of meningococci with GM1 upon cellular uptake. Blocking of CTxB binding sites did not impair bacterial adhesion but dramatically reduced bacterial invasion efficiency. In addition, cell cycle arrest in G1 phase induced by serum starvation led to an overall increase of GM1 molecules in the plasma membrane and consequently also in bacterial invasion efficiency. Our results will help to understand downstream signaling events after initial type IV pilus-host cell interactions and thus have general impact on the development of new therapeutics targeting key molecules involved in infection.
Neisseria meningitidis is a facultatively pathogenic human commensal and strictly adapted to its niche within the human host, the nasopharynx. Not much is known about the regulatory processes required for adaptation to this environment. Therefore the role of the transcriptional regulator NMB1843, one of the two predicted regulators of the MarR family in the meningococcal genome, was investigated. As this gene displayed a high sequence homology to FarR, the Fatty acid resistance Regulator in N. gonorrhoeae, we designated the meningococcal protein FarR (NmFarR). Homology modeling of this protein revealed a dimeric structure with the characteristic winged helix-turn-helix DNA binding motif of the MarR family. NmFarR is highly conserved among meningococcal strains and expression of farR during exponential growth is controlled post-transcriptionally, being highest in the late exponential phase. By means of electrophoretic mobility shift assays (EMSAs) the direct and specific binding of FarR to the farAB promoter region was shown, comparable to its homologue in gonococci. As FarR is involved in fatty acid resistance in N. gonorrhoeae, susceptibility assays with the medium chain lauric acid (C12:0), the long chain saturated palmitic acid (C16:0) and the long chain unsaturated linoleic acid (C18:2) were performed, testing a wide variety of strains of both species. In contrast to the unusually susceptible gonococci, a high intrinsic fatty acid resistance was detected in almost all meningococcal isolates. The molecular basis for this intrinsic resistance in N. meningitidis was elucidated, showing that both a functional FarAB efflux pump system as well as an intact lipopolysaccharide (LPS) are responsible for palmitic acid resistance. However, even despite circumvention of the intrinsic resistance, FarR could not be connected with fatty acid resistance in meningococci. Instead, FarR was shown to directly and specifically repress expression of the Neisseria adhesin A (nadA), a promising vaccine candidate absent in N. gonorrhoeae. Microarray analyses verified these results and disclosed no further similarly regulated genes, rendering the FarR regulon the smallest regulon in meningococci reported until now. The exact FarR binding site within the nadA promoter region was identified as a 16 bp palindromic repeat and its influence on nadA transcription was proved by reporter gene fusion assays. This repression was also shown to be relevant for infection as farR deficient mutant strains displayed an increased attachment to epithelial cells. Furthermore, farR transcription was attested to be repressed upon contact with active complement components within human serum. Concluding, it is shown that FarR adopted a role in meningococcal host niche adaptation, holding the balance between immune evasion by repressing the highly antigenic nadA and host cell attachment via this same adhesin.
A Comprehensive Review on the Interplay between Neisseria spp. and Host Sphingolipid Metabolites
(2021)
Sphingolipids represent a class of structural related lipids involved in membrane biology and various cellular processes including cell growth, apoptosis, inflammation and migration. Over the past decade, sphingolipids have become the focus of intensive studies regarding their involvement in infectious diseases. Pathogens can manipulate the sphingolipid metabolism resulting in cell membrane reorganization and receptor recruitment to facilitate their entry. They may recruit specific host sphingolipid metabolites to establish a favorable niche for intracellular survival and proliferation. In contrast, some sphingolipid metabolites can also act as a first line defense against bacteria based on their antimicrobial activity. In this review, we will focus on the strategies employed by pathogenic Neisseria spp. to modulate the sphingolipid metabolism and hijack the sphingolipid balance in the host to promote cellular colonization, invasion and intracellular survival. Novel techniques and innovative approaches will be highlighted that allow imaging of sphingolipid derivatives in the host cell as well as in the pathogen.
The obligate human pathogen Neisseria meningitidis is a major cause of sepsis and meningitis worldwide. It affects mainly toddlers and infants and is responsible for thousands of deaths each year. In this study, different aspects of the importance of sphingolipids in meningococcal pathogenicity were investigated. In a first step, the acid sphingomyelinase (ASM), which degrades membrane sphingomyelin to ceramide, was studied in the context of meningococcal infection. A requirement for ASM surface activity is its translocation from the lysosomal compartment to the cell surface, a process that is currently poorly understood.
This study used various approaches, including classical invasion and adherence assays, flow cytometry, and classical and super resolution immunofluorescence microscopy (dSTORM). The results showed that the live, highly piliated N. meningitidis strain 8013/12 induced calcium-dependent ASM translocation in human brain microvascular endothelial cells (HBMEC). Furthermore, it promoted the formation of ceramide-rich platforms (CRPs). In addition, ASM translocation and CRP formation were observed after treating the cells with pili-enriched fractions derived from the same strain. The importance for N. meningitidis to utilize this pathway was shown by the inhibition of the calcium-dependent ASM translocation, which greatly decreased the number of invasive bacteria.
I also investigated the importance of the glycosphingolipids GM1 and Gb3. The results showed that GM1, but not Gb3, plays an important role in the ability of N. meningitidis to invade HBMEC. By combining dSTORM imaging and microbiological approaches, we demonstrated that GM1 accumulated prolifically around bacteria during the infection, and that this interaction seemed essential for meningococcal invasion.
Sphingolipids are not only known for their beneficial effect on pathogens. Sphingoid bases, including sphingosine, are known for their antimicrobial activity. In the last part of this study, a novel correlative light and electron microscopy approach was established in the combination with click chemistry to precisely localize azido-functionalized sphingolipids in N. meningitidis. The result showed a distinct concentration-dependent localization in either the outer membrane (low concentration) or accumulated in the cytosol (high concentration). This pattern was confirmed by mass spectrometry on separated membrane fractions. Our data provide a first insight into the underlying mechanism of antimicrobial sphingolipids.
Neisseria meningitidis is a facultative human pathogen that occasionally shows strong resistance against serum complement exposure. Previously described factors that mediate meningococcal serum resistance are for example the capsule, LPS sialylation, and expression of the factor H binding protein. I aimed for identification of novel serum resistance factors, thereby following two approaches, i) the analysis of the impact of global regulators of gene expression on serum resistance; and ii) a comparative analysis of closely related strains differing in serum resistance. (i) Of six meningococcal global regulators of gene expression studied, only mutation of the zinc uptake regulator Zur reduced complement deposition on meningococci. Little was known about meningococcal Zur and regulatory processes in response to zinc. I therefore elucidated the yet unidentified meningococcal Zur regulon comparing the transcriptional response of the N. meningitidis strain MC58 under zinc-rich and zinc-deficient conditions using a common reference design of microarray analysis. The meningococcal Zur regulon comprises 17 genes, of which 15 genes were repressed and two genes were activated at high zinc condition. Amongst the Zur-repressed genes were genes involved in zinc uptake, tRNA modification, and ribosomal assembly. A 23 bp meningococcal consensus Zur binding motif (Zur box) with a conserved central palindrome was established (TGTTATDNHATAACA) and detected in the promoter region of all regulated transcriptional units (genes/operons). In vitro binding of meningococcal Zur to the Zur box of three selected genes was shown for the first time using EMSAs. Binding of meningococcal Zur to DNA depended specifically on zinc, and mutations in the palindromic sequence constrained Zur binding to the DNA motif. ii) Three closely related strains of ST-41/44 cc from invasive disease and carriage which differed in their resistance to serum complement exposure were analysed to identify novel mediators of serum resistance. I compared the strains’ gene content by microarray analysis which revealed six genes being present in both carrier isolates, but absent in the invasive isolate. Four of them are part of two Islands of horizontally transferred DNA, i.e. IHT-B and –C. The working group furthermore applied a comprehensive screening assay, a transcriptome and a proteome analysis leading to identification of three target proteins. I contributed to establish the role of these three proteins in serum resistance: The adhesin Opc mediates serum resistance by binding of vitronectin, a negative regulator of the complement system; the hypothetical protein NMB0865 slightly contributes to serum resistance by a yet unknown mechanism; and NspA, recently identified to bind the negative complement regulator factor H, led to considerable reduced complement-mediated killing.