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Molekularbiologische Studien zur Bedeutung der Flagelle für die Virulenz von Legionella pneumophila
(2000)
Legionella pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, ist ein fakultativ intrazelluläres, ubiquitär vorkommendes Umweltbakterium. Die Rolle, die Flagelle und Motilität der Legionellen bei der Infektion von Protozoen oder humanen Zellen spielen können, ist bisher noch nicht geklärt. Um etwas über noch unbekannte Flagellengene und deren Organisation in Legionella zu erfahren, wurde mit Hilfe einer Cosmid-Genbank des Stammes L. pneumophila Philadelphia I die flaA-Region näher charakterisiert. Im 5´-Bereich von flaA konnten auf dem Gegenstrang zwei Stoffwechselgene (accD und folC) identifiziert werden, im 3´-Bereich schliessen sich die Flagellengene flaG, fliD und fliS, sowie zwei offene Leseraster mit Homologien zu den erst kürzlich bei Legionella beschriebenen Genen enhA und milA an. Zur Untersuchung des Einflusses der Flagelle auf den Infektionsverlauf wurde die flaA-negative Mutante KH3, bei der das flaA-Gen durch Insertion einer Kanamycin-Kassette unterbrochen worden war, wieder komplementiert. Dies gelang durch Reintegration des intakten flaA-Gens mit Hilfe des „Suicide“-Vektors pMSS704 in das Chromosom von KH3, wodurch Stamm CD10 entstand. Durch Westernblot-Analyse konnte gezeigt werden, dass der Stamm wieder in der Lage war, Flagellin zu exprimieren. Elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigten außerdem das Vorhandensein intakter Flagellen. Das Verhalten von flagellierten und nicht flagellierten Legionellen bei der Infektion von Wirtszellen wurde hinsichtlich Auffinden, Adhärenz, Invasion, intrazellulärer Vermehrung und Lyse der Zellen untersucht. Als Wirtszellen wurden sowohl Protozoen (Acanthamoeba castellanii), als auch humane Zellen (HL-60 Zellen und frisch isolierte Blutmonozyten) verwendet. Dabei wurde deutlich, dass die Flagelle für das Erreichen der Wirtszellen eine wichtige Funktion hat. Wurde der Motilitätsdefekt der flaA-Mutanten durch Zentrifugation auf die Zielzellen aufgehoben, so konnten mit den gewählten Versuchsbedingungen bezüglich des Adhärenzvermögens der Stämme keine Unterschiede detektiert werden. Es wurde jedoch eine signifikante Reduktion der Invasionseffizienz für die nicht flagellierten Legionellen beobachtet. Diese war bei den humanen Zellen besonders ausgeprägt. Hinsichtlich der intrazellulären Vermehrung konnte keine Attenuierung der Mutante festgestellt werden. Allerdings führte vermutlich die Reduktion der Invasivität zu einer geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit im HL-60 Modell, die bei niedriger Infektionsdosis mit einer verlangsamten Wachstumsrate der Bakterien einherging. Durch Sequenzierung des Genbank-Cosmids 12/44, auf welchem die Gene fliA und motA lokalisiert waren, konnten im „upstream“-Bereich von fliA zwei putative Flagellenregulatorgene identifiziert werden (motR und flhF). Im 3´-Bereich von motA schließt sich, um 26 bp überlappend, das Gen motB an, welches für den Motor der Flagelle eine Rolle spielt, gefolgt von einem Leseraster unbekannter Funktion und einem ORF mit Homologien zu prfB. Durch Insertion einer Kanamycin-Kassette in das motA-Gen von L. pneumophila Corby konnte in dieser Arbeit eine motA-negative Mutante hergestellt werden. Westernblot-Analyse und elektronenmikroskopische Untersuchungen bestätigten, dass es weiterhin zur Expression und zur Polymerisation des Flagellins kommt. Lichtmikroskopisch war jedoch zu beobachten, dass die hergestellte Mutante im Gegensatz zum Wildtyp durch den fehlerhaften Flagellenmotor nicht mehr in der Lage ist, gerichtete Strecken zu schwimmen. Untersuchungen mit den Wirtszellen A. castellanii und humanen HL-60 Zellen belegten, wie schon bei der flaA-Mutante, eine Beteiligung der Motilität an Vorgängen wie Auffinden der Zielzelle und deren Invasion, wohingegen die Adhärenz und die intrazelluläre Vermehrung nicht beeinträchtigt waren. Eine Southernblot-Analyse des erst kürzlich beschriebenen Transkriptionsregulators FlaR ergab, dass es sich hierbei vermutlich um einen L. pneumophila-spezifischen Regulationsfaktor handelt, welcher in Kombination mit dem „upstream“ auf dem Gegenstrang liegenden ORF234 vorkommt. Fusionen der Promotorbereiche mit dem Reportergen gfp zeigten, dass beide Gene auch in Legionella aktiv sind und temperaturabhängig reguliert werden.
Legionella pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, ist ein Umweltkeim mit Verbreitung in aquatischen Habitaten. Die Keime sind in der Lage, sich intrazellulär in eukaryontischen Zellen, wie Makrophagen, Monozyten und Protozoen zu vermehren. Die erfolgreiche Besiedlung ökologischer Nischen, aber auch das Virulenzpotential des Keimes können dabei von Umweltfaktoren abhängen. Die Erforschung ökologischer Zusammenhänge kann daher für das Verständnis der bakteriellen Virulenz von großer Bedeutung sein. Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die in der späten stationären Phase des Bakterienwachstums von L. pneumophila zu beobachtende intensive Pigmentierung des Kulturmediums. Für diesen Phänotyp ist das Legiolysin (Lly) verantwortlich. Es ist eines der wenigen bekannten Genprodukte von L. pneumophila, die einen Einfluß auf das Überleben des Keimes in der Umwelt haben. Legiolysin kann daher als Fitnessfaktor bezeichnet werden. Um die ökologischen Zusammenhänge der Pigmentgenerierung näher zu untersuchen, wurde das lly-positive Plasmid pEWL 1 subkloniert und sequenziert. Neben lly konnten in diesem Genabschnitt durch Sequenzvergleiche der abgeleiteten Aminosäuresequenzen sechs weitere Leseraster detektiert werden. Die drei unmittelbar benachbarten Gene von lly kodieren dabei für Proteine mit Funktionalität in Bezug zur lly-Determinante, während die drei upstream von lly liegenden Leseraster Homologien zu Proteinen aufweisen, die an Transportprozessen beteiligt sind. Die Länge des RNA-Transkripts von lly konnte im Northern-Blot mit ungefähr 1,8 kb bestimmt werden und läßt damit auf die gemeinsame Transkription des lly-Gens mit dem unmittelbar upstream liegenden Leseraster schließen. Durch Sequenzanalysen konnte aufgezeigt werden, daß das für diesen Phänotyp verantwortliche Legiolysin-Gen für eine p-Hydroxyphenylpyruvat-Dioxygenase (HPPD) kodiert. Dieses Enzym katalysiert die Umsetzung von p-Hydroxyphenylpyruvat zu Homogentisat (HGA). In Zusammenarbeit mit Prof. P. Proksch (Pharmazeutische Biologie, Würzburg) konnte im Vergleich zu lly-negativen L. pneumophila- und rekombinanten E. coli-Stämmen in den Kulturüberständen von lly-positiven Stämmen auf Basis einer Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) HGA nachgewiesen werden. Es konnte somit gezeigt werden, daß das Legiolysin-Gen für ein Protein mit HPPD- Aktivität kodiert, und in die Degradation der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin involviert ist. Des weiteren wurden chromosomale Integrationsmutationen der aus L. pneumophila stammenden Gene lly und mip ("macrophage infectivity potentiator") in E. coli K-12 Stämmen erstellt. Diese wurden nachfolgend in ökologisch ausgerichteten Langzeitstudien eingesetzt. Die chromosomale Integration von lly erfolgte als ortsspezifische Rekombination in die l att - site von E. coli WM 2269. Die Integration von mip erfolgte in die fim-Region des E. coli K-12-Stammes AAEC 160. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit befaßt sich mit ökologischen Studien zur Persistenz von L. pneumophila in der Umwelt. Durch die Bestrahlung mit Licht über einen Verlauf von sieben Tagen konnte gezeigt werden, daß die Exprimierung von lly zu einer Persistenz unter Lichtstreß führt. Dieser Lichtschutz könnte in der Umwelt, aber auch bei der Sanierung von Wasserleitungssystemen mittels UV-Licht Relevanz aufweisen. Die Assoziation von L. pneumophila JR32 und JR32-1 (lly-negativ) mit dem Cyanobakterium Fischerella wurde in Mikrokosmen über einen Verlauf von sieben Tagen beobachtet. Dabei konnte gezeigt werden, daß Legionella in Assoziation mit Fischerella bzw. in dessen Überstand zu persistieren vermag, während dies den Bakterien in frischem Fischerella-Medium nicht möglich war. Wie die Coinkubation der Fischerellen mit L. pneumophila JR32-1 zeigte, spielt die Expression von lly dabei keine Rolle. Ein Wachstum der Bakterienkulturen konnte weder im Fischerella-Überstand, noch in Fischerella-Medium beobachtet werden. Durch Rasterelektronenmikroskopie konnte der adhäsive Charakter der Assoziation von L. pneumophila zu Fischerella dokumentiert werden. Durch Persistenzstudien von L. pneumophila und E. coli in Boden wurde die Überlebensfähigkeit der Mikroorganismen in suboptimaler Umgebung getestet. Für Legionella ist eine rapide Abnahme der Zellzahl schon nach kurzer Zeit zu detektieren. Nach sechs Tagen konnten keine Zellen mehr kultiviert werden. Die Defizienz der Pathogenitäts- und Umweltfaktoren Mip, Fla (Flagellin) und Lly hatte dabei keinen Einfluß auf die Persistenz der Bakterien im Boden. Zudem sind die zuvor generierten rekombinanten E. coli-Klone AAEC 160-1 und WM 2269-1 mit genomischer mip- bzw. lly-Integration eingesetzt worden. Innerhalb von vier Wochen konnte für diese Stämme eine kontinuierliche Reduktion der Zellzahlen beobachtet werden. Somit erwies sich keiner der Organismen als erfolgreicher Besiedler der Bodenprobe. Die Studien zum Verlust der Kultivierbarkeit von L. pneumophila und E. coli erfolgten in autoklaviertem Leitungswasser bzw. PBS und zwei unterschiedlich behandelten Varianten von Mainwasser. Neben sterilfiltriertem Mainwasser fand die Inokulierung der Organismen auch in einem Ansatz mit autoklaviertem Mainwasser statt. Es konnte gezeigt werden, daß L. pneumophila in Leitungswasser und Mainwasser außerordentlich gut zu persistieren vermochte. Zudem konnte dokumentiert werden, daß auch E. coli DH5a in ein lebensfähiges, aber nicht mehr kultivierbares Ruhestadium (viable but nonculturable, VBNC) eintreten kann. Parallel zur Ermittlung der CFU-Werte wurden während des Verlaufs der Experimente die Lebendzellzahlen durch Fluoreszenzfärbungen bestimmt. Der Übergang von L. pneumophila in das VBNC-Ruhestadium wurde zudem durch in situ - Hybridisierungen mit fluoreszenzmarkierten 16 S rRNA-Oligonukleotidsonden dokumentiert. Im Naturhaushalt spielt dieser Übergang zu VBNC-Stadien bei Umweltbakterien zur Überwindung ungünstiger Phasen eine große Rolle. Schließlich erfolgten Experimente zur Reaktivierung der VBNC-Ruhestadien. Diese Reaktivierung ist abhängig von speziesspezifischen Triggern und kann bei L. pneumophila durch Coinkubation mit Acanthamoeba castellanii erfolgen.
We have recently demonstrated that the frequency ofT cells expressing granzyme A is significantly higher in skin lesions and spleens of susceptible BALB/c mice compared with resistant C57BL/6 mice infected with Leishmania major, a cause of human cutaneous leishmaniasis. In the present study, we have performed in vitro studies to characterize the subpopulation, the antigen responsiveness and the lymphokine production pattern of granzyme A-expressing T cells in L. major-infected mice. Using a limiting dilution system for functional analysis of selected T cells at the clonallevel, we could show that granzyme A activity in infected BALB/c mice can be assigned to L. major-reactive CD4\(^+\) T cells secreting interleukin-2 (IL-2) and IL-4. Granzyme A production was most pronounced in the early phase of infection. On the other hand, granzyme A expression could not be detected in C57BL/6-derived T cells responding to L. major. The da ta support the suggestion that granzyme A is produced by L. major-responsive CD4\(^+\) T cells facilitating lesion formation and the dissemination of infection.
A novel technique for independent and simultaneous labeling of two antigens expressed on individual cells (referred to as mixed labeling) is presented. The staining procedure combined three-step (streptavidin-biotin) immunogold-silver staining with three-step immunoenzymatic labeling. To ensure both high specificity and high sensitivity, particular emphasis was placed on designing a protocol that avoids immunological crossreactivity between the antibody reagents and overlapping of the final color products. Two examples for usage of this mixed labeling technique are described: lymphocyte subpopulations were identified in inflammatory lesions of human skin and infected host cells were characterized in the skin of mice infected with the obligatory intracellular parasite Leishmania major, a cause of human cutaneous leishmaniasis.
Murine epidermal Langerhans cells (LC) have been demonstrated to stimulate a vigorous T cell response to Leishmania major, a cause of human cutaneous leishmaniasis. It was therefore of interest to analyze whether LC can take up viable parasites. Epidermal cells were obtained from mouse ear skin for incubation with L. major and subsequent detection of intracellular parasites by cytochemistry. Freshly isolated LC, but not cultured LC, phagocytosed L. major and the uptake was inhibited by antibodies to the complement receptor type 3. Electron microscopic studies revealed the presence of viable amastigotes within Le. Moreover, with double-Iabeling techniques, L. major-containing LC could also be detected in infected skin. The results demonstrate that LC can internalize L. major. Since the number of organisms per infected LC remained consistently low, the prime task of LC may not be the promotion of parasite spreading but the presentation of L. major antigen to T cells and, thus, the regulation of the cellular immunity during cutaneous leishmaniasis.
In leishmaniasis, macrophages are known to play a central role as modulators of the specific immune activity. In this article, Heidrun Moll presents evidence for the critical involvement of another component of the skin immune system, the epidermal Langerhans cell. She proposes that Langerhans cells take up parasites in the skin and transport them to the draining lymph node for presentation to T cells and initiation of the specific immune response.
S fimbrial adbesins (Sfa), which are able to recognize sialic acid-containing receptors on eukaryotic cells, are produced by Escherichia coli strains causing urinary tract infections or newbom meningitis. We recently described tbe cloning and molecular cbaracterization of a determinant, termed sftJI, from the chromosome of an E. coli urinary tract infection strain. Herewe present data conceming a S fimbria-specific gene duster, designated sfall, of an E. coli newbom meningitis strain. Like tbe Sfal complex, Sfall consists of tbe major subunit protein SfaA (16 kDa) and the minor subunit proteins SfaG (17 kDa), SfaS (15 kDa), and SfaH (29 kDa). The genes encoding tbe subunit proteins of Sfall were identified and sequenced. Their protein sequences were calculated from the DNA sequences and compared with tbose of the Sfal complex subunits. Altbough the sequences ofthe two major SfaA subunits ditf'ered markedly, tbe sequences ofthe minor subunits sbowed only a few amino acid exchanges (SfaG, SfaH) or were completely identical (SfaS). The introduction of a site-specific mutation into the gene sfaSII and subsequent analysis of an SfaS-negative clone indicated that sfaSII codes for the sialic acid-specific adhesin of tbe meninigitis isolate. These data were confirmed by tbe isolation and characterization of tbe SfaSII protein and the determination of its N-terminal amino acid sequence. The identity between the sialic acid-specific adhesins of Sfal and Sfall revealed that difl'erences between the two Sfa complexes with respect to tbeir capacities to agglutinate erythrocytes must result from sequence alterations of subunit proteins other tban SfaS.
Escherichia coli isolates of serotype 06: K5 are the most common causative agents of cystitis and pyelonephritis in adults. To answer the question, as to whether strains of this particular serotype represent one special clonal group, out of a collection of 34 serotype 06: K5 isolates [Zingler et al. ( 1990) Zentralbl. Bakteriol Mikrobiol Hyg [A] 274:372-381] 15 strains were selected andanalyzed in detail. The flagellar (H) antigen and the outer membrane protein (OMP) pattern were determined. Furtherserum resistance properties and the genetic presence and expression of other virulence factors, including hemolysin, aerobactin, P fimbriae, S/F1C fimbriae and type 1 fimbriae was evaluated. In~laddition the Xbalmacrorestriction pattern of ten representative isolates was elaborated and the fimbrial (F) antigentype ofthe P fimbriae was determined, to obtain the complete 0: K: H: F pattern. These analyses could clearly show that the 06: K5 isolates do not represent one clonal group. The Xbal-macrorestriction profiles were heterogeneaus and marked differences in the hybridization patterns, using virulenceassociated gene probes in Southern hybridization of long-range-separated genomic DNA, were observed among the strains. However, some of strains showed similarities in the genomic profiles, arguing for clonal groupings among the 06: K5 isolates. lnterstingly the strains grouped tagether exhibited the same fimbrial F typethat many indicate a coincidence of this phenotypic trait with clonality.