Project

Discipline

Bacterial virulence; Cellular microbiology; Vesicle trafficking; Phosphoinositide; Protein-lipid interaction; Type IV secretion; Dictyostelium; Macrophage; amoeba; bacterial pathogenesis; pathogen ecology; vacuolar pathogens

Lead
Lay summary
INTRAZELLULÄRE VERMEHRUNG VON LEGIONELLENInfektionskrankheiten stellen ein ernsthaftes Gesundheitsproblem dar. Dies zum einen, weil die Erreger kontinuierlich Resistenzen gegen Antibiotika erwerben, und zum anderen, weil immer wieder neue, bislang unbekannte Erreger auftreten.Legionellen (Legionella pneumophila) sind Umweltbakterien, die sich in Amöben vermehren und Biofilme besiedeln. Diese Nischen schützen die Bakterien vor physikalischen, chemischen oder antibiotischen Einflüssen. Durch Inhalation von feinen Wassertröpfchen (Aerosolen) aus kontaminierten Wassersystemen, z.B. Kühltürmen oder Duschen, gelangen die Legionellen in die menschliche Lunge. Hier können sich die Bakterien in speziellen Immunzellen (Makrophagen) vermehren und eine schwere Lungenentzündung, die Legionärskrankheit, auslösen. Die Legionärskrankheit trifft bevorzugt ältere und immun-geschwächte Personen, verläuft in 5-20% der Fälle tödlich und kann in Epidemien von mehreren 100 Fällen auftreten. Die Zahl der Fälle von Legionärskrankheit wird sich in Zukunft eher erhöhen, da die menschliche Lebenserwartung, sowie die Anwendung von immun-schwächenden medizinischen Therapien (Organtransplantation, Chemotherapie) zunehmen.Legionellen wachsen sowohl auf Nährmedien als auch innerhalb von Fresszellen ("Phagozyten"). Fresszellen töten in der Regel Bakterien ab; die Legionellen hingegen überleben und vermehren sich in freilebenden Amöben und in Makrophagen des Immunsystems mittels eines ähnlichen Mechanismus. Diese Eigenschaft ist eine Voraussetzung, um den Menschen zu infizieren und die Legionärskrankheit auszulösen. Legionellen vermehren sich in Wirtszellen in einem speziellen, Membran-gebundenen Kompartiment, einer Vakuole. Für die Bildung dieser Vakuole verwenden die Bakterien ein Proteintransportsystem und über 100 verschiedene sogenannte "Effektorproteine". Diese Proteine werden in die Wirtszelle injiziert, wo sie zellbiologische und biochemische Prozesse zugunsten der Bakterien modulieren.Im vorliegenden Projekt wird auf molekularer und zellulärer Ebene der Mechanismus der intrazellulären Vermehrung von Legionellen untersucht. Dabei kommen biochemische sowie molekular- und zellbiologische Methoden zum Einsatz. Die erarbeiteten Erkenntnisse liefern nicht nur grundlegende Einsichten über die Virulenz von Legionellen, sondern finden möglicherweise auch Anwendungen in der Klinik, um die Ansteckungs- und Sterblichkeitsrate der Legionärskrankheit zu reduzieren. Schliesslich können unsere Arbeiten im Bereich der Zell-Zell-Kommunikation, Gen-Regulation und Biofilm-Bildung von Legionellen dazu beitragen, das Auftreten der Bakterien in Wassersystemen zu kontrollieren.

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Last update: 21.02.2013

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Infectious diseases are a major public health problem due to the continuous evolution of antibiotic resistant pathogens and the emergence of novel infectious agents. Legionella pneumophila is a natural parasite of environmental amoebae, yet upon inhalation, the bacteria replicate in human macrophages and thus may cause the severe pneumonia Legionnaires’ disease. The opportunistic pathogen L. pneumophila grows mechanistically similarly within protozoa, Dictyostelium amoebae and mammalian macrophages by forming a unique “Legionella-containing vacuole” (LCV). LCVs do not fuse with lysosomes but rather recruit early secretory vesicles and endoplasmic reticulum. The formation of LCVs is a complex process involving a bacterial type IV secretion system and more than 70 translocated “effector“ proteins, most of which are currently not characterized, but are thought to subvert host cell signaling and vesicle trafficking pathways.Phosphoinositide (PI) lipids and small GTPases are pivotal regulators of eukaryotic signal transduction pathways and membrane dynamics. We recently found that PI(3) kinases and the PI(5)P phosphatase Dd5P4, a homologue of human OCRL1 (oculocerebrorenal syndrome of Lowe), play a role for intracellular replication of L. pneumophila. We also identified phosphatidylinositol-4 phosphate (PtdIns(4)P) on LCVs and Icm/Dot-secreted effector proteins that specifically bind to PtdIns(4)P or PtdIns(3)P. These results indicate that L. pneumophila exploits host cell PI metabolism to anchor translocated effector proteins to LCVs. Finally, the proteome of purified intact LCVs revealed several small GTPases and other host factors previously not implicated in LCV formation.In this application, I propose to analyze intracellular trafficking of L. pneumophila and LCV formation in phagocytes. In particular, the interactions of the pathogen with host cell PI metabolism and GTPases will be addressed by focusing on the following specific aims:(i) Function and structure of PI-binding L. pneumophila effector proteins(ii) Modulation of host PI metabolism by L. pneumophila(iii) Dynamics of PI lipids and Rab GTPases on Legionella-containing vacuoles(iv) Host PI kinases and phosphatases implicated in L. pneumophila trafficking(v) Ran GTPases playing a role in L. pneumophila infection