Wie S. pneumoniae die Proteine der Wirtszellen stört

Streptococcus pneumoniae, auch Pneumokokken genannt, ist eine Art von Bakterien, die normalerweise im oberen Atemweg von gesunden Menschen lebt, ohne Symptome zu verursachen. Bei bestimmten Personengruppen kann es jedoch zu schweren Infektionen in den Lungen und anderen Körperteilen führen, was hohe Raten von Krankheitsfällen und Todesfällen nach sich zieht. Dieses Bakterium ist vor allem dafür bekannt, Pneumonie zu verursachen, kann aber auch in den Blutkreislauf gelangen und Krankheiten wie Sepsis, Meningitis und Endokarditis auslösen.

Es gibt mehr als 100 verschiedene Typen von Pneumokokken, die nach ihrer Zuckerschicht klassifiziert werden. Diese Schicht spielt eine Rolle dafür, wie schwerwiegend die Infektionen sein können. Pneumokokken haben verschiedene Methoden, um sich von harmlosen Bakterien in solche zu verwandeln, die Krankheiten verursachen können. Dazu gehören Proteine auf ihrer Oberfläche, die helfen, mit Wirtszellen und dem menschlichen Immunsystem zu interagieren.

Ein wichtiger Faktor, der den Bakterien hilft, Probleme zu verursachen, ist ein Toxin namens Pneumolysin (PLY). Dieses Toxin kann Wirtszellen schädigen, indem es Löcher in deren äussere Schicht macht, was den Bakterien erlaubt, Infektionen zu etablieren und dem Immunsystem zu entkommen. PLY wirkt durch einen komplexen Prozess, bei dem mehrere Toxinstücke zusammenkommen, um eine grosse Öffnung in der Zellmembran des Wirts zu schaffen.

Studien haben gezeigt, dass Pneumolysin Lungenzellen schädigen, Immunreaktionen auslösen und die Funktion von Immunzellen namens Neutrophile beeinträchtigen kann. Stämme der Bakterien, denen dieses Toxin fehlt, sind weniger effektiv darin, Krankheiten zu verursachen.

#GPI-ankergestützte Proteine (GPI-APs)

GPI-ankergestützte Proteine sind eine spezielle Art von Proteinen, die auf der Oberfläche vieler verschiedener Organismen, einschliesslich Menschen, vorkommen. Diese Proteine haben einen speziellen Anker aus Zucker und Fetten, der ihnen hilft, an der Aussenseite von Zellmembranen zu haften. GPI-APs haben verschiedene Funktionen, wie das Wahrnehmen der Umwelt, das Helfen von Zellen beim Aneinanderkleben und das Modifizieren von Immunreaktionen.

Der GPI-Anker wird am Ende des Proteins durch einen sorgfältig gesteuerten Prozess befestigt, und sie erreichen die Zelloberfläche, indem sie durch verschiedene Zellstrukturen wandern. In einigen Zellen werden GPI-APs gezielt an einen bestimmten Teil der Zelloberfläche geleitet, wo sie in fettreichen und cholesterolhaltigen Bereichen organisiert werden.

Man kann GPI-APs von der Zelloberfläche entfernen, indem bestimmte Enzyme wirken, oder sie können durch einen Prozess namens Endozytose wieder in die Zelle aufgenommen werden, wo sie für die zukünftige Nutzung recycelt werden.

#Rho GTPasen: Schlüsselregulatoren

Rho GTPasen sind kleine Proteine, die in Zellen wie Schalter fungieren und Signale ein- und ausschalten, die verschiedene zelluläre Funktionen steuern. Wenn sie aktiviert werden, interagieren sie mit anderen Proteinen, um spezifische Prozesse innerhalb der Zelle zu starten. Rho GTPasen spielen eine entscheidende Rolle dabei, wie Zellen den Materialtransport innerhalb der Zelle handhaben, einschliesslich während der Endozytose und Exozytose.

Eine bestimmte Rho GTPase, Cdc42, hat sich als wichtiger Faktor für die Aufnahme von GPI-APs durch die Zelle herausgestellt. Die Aktivierung von Cdc42, zusammen mit den Cholesterinwerten in der Zellmembran, scheint zu steuern, wie GPI-APs zurück in die Zelle aufgenommen werden, nachdem sie bestimmten Reizen ausgesetzt waren.

Viele GPI-APs sind an der Steuerung von Immunreaktionen beteiligt. Einer davon ist CD73, der einen Botenstoff namens extrazelluläres Adenosin (EAD) produziert. Dieser Botenstoff spielt eine wichtige Rolle darin, wie der Körper auf Schäden und Infektionen reagiert. CD73 ist entscheidend im Kampf gegen pneumokokkale Infektionen, da das Fehlen dieses Enzyms Mäuse anfälliger für die Bakterien macht.

Interessanterweise nimmt der Ausdruck von CD73 in Neutrophilen ab, die während pneumokokkaler Infektionen in die Lungen migrieren, was darauf hindeutet, dass die Bakterien möglicherweise die CD73-Werte auf Wirtszellen verändern.

#Die Auswirkungen von S. Pneumoniae auf GPI-APs

Neue Erkenntnisse zeigen, dass eine Infektion mit S. pneumoniae die Expression von CD73 auf der Oberfläche von Lungenepithelzellen senken kann. Diese Reduzierung scheint eine breite Wirkung zu sein, die durch die Anwesenheit von Pneumolysin verursacht wird und von dessen Fähigkeit abhängt, Pores in der Zellmembran zu bilden. Der Rückgang der CD73-Expression wird nicht durch die Freisetzung des Proteins aus der Zelle verursacht, sondern durch dessen Internalisierung, die durch einen Prozess erfolgt, der von RhoA und Cdc42 abhängt.

Darüber hinaus ist die Internalisierung von GPI-APs mit verringertem Zellschaden als Reaktion auf Pneumolysin verbunden. Diese Erkenntnisse unterstützen die Idee, dass die Reparatur von durch die Infektion verursachten Schäden den Bakterien helfen kann, den Immunantworten zu entkommen.

#Experimentelle Beweise

Um die Auswirkungen von S. pneumoniae auf GPI-APs zu untersuchen, führten die Forscher Experimente mit Mäusen durch. Sie fanden heraus, dass nach der Infektion der Mäuse mit Pneumokokken ein signifikanter Rückgang der CD73-Expression in Lungensellen im Vergleich zu nicht infizierten Mäusen stattfand. Die Menge eines anderen Proteins, CD39, blieb jedoch unverändert.

Ähnlich führte die Exposition von menschlichen Lungenepithelzellen (H292-Zellen) gegenüber Pneumokokken zu einer dosisabhängigen Abnahme der CD73-Expression. Die Forscher wollten sehen, ob auch andere GPI-APs betroffen waren und fanden heraus, dass die Werte von CD55 und CD59 ebenfalls nach der Infektion sanken, während die Werte anderer Proteinarten stiegen.

In polarisierten Epithelzellen zeigten die Forscher, dass die durch Pneumokokken induzierte Reduktion von GPI-APs weiterhin beobachtet wird, was auf einen spezifischen Mechanismus hinweist, durch den die Bakterien die Funktionen der Wirtszellen verändern.

#Die Rolle von PLY bei der Reduzierung von GPI-APs

Um festzustellen, ob die Reduzierung von CD73 auf den spezifischen Stamm von Pneumokokken zurückzuführen ist, testeten die Forscher verschiedene Stämme und bestätigten, dass der Effekt über mehrere Stämme hinweg konsistent war. Es wurde auch entdeckt, dass hitzeabgetötete Pneumokokken die CD73-Werte nicht reduzierten, was darauf hindeutet, dass lebende Bakterien oder ihre aktiven Komponenten für diese Reduzierung wichtig sind.

Als die Forscher Pneumolysin testeten, fanden sie heraus, dass es für die Reduzierung von CD73 notwendig war. Zellen, die mit rekombinantem Pneumolysin behandelt wurden, zeigten eine Abnahme der CD73-Werte in dosisabhängiger Weise. Weitere Studien zeigten, dass Mutanten von Pneumolysin, die keine Pores bilden, nicht in der Lage waren, die CD73-Werte zu senken, was die Rolle der Porenbildung in diesem Prozess bestätigt.

Ausserdem war es notwendig zu untersuchen, ob Zelltod eine Rolle bei der Reduzierung von GPI-AP-Werten spielt. Sie entdeckten, dass, während Pneumokokken Zelltod verursachten, die Reduzierung von GPI-APs selbst in nicht-apoptotischen Zellen beobachtet wurde, was die Idee untermauert, dass die beobachtete Reduzierung nicht nur eine Folge des Zelltods ist.

#Internalisierung von GPI-APs bei Infektionen

Diese Erkenntnisse führten die Forscher dazu, zu untersuchen, ob die Infektion durch S. pneumoniae die Internalisierung von GPI-APs auslöste. Mithilfe von Mikroskopaufnahmen beobachteten sie, dass nach der Infektion die GPI-APs, die normalerweise gleichmässig auf der Zelloberfläche verteilt sind, innerhalb der Zellen clustering.

Um diese Beobachtung zu bestätigen, fanden die Forscher heraus, dass die Gesamtmenge der GPI-APs, die mit Zellen assoziiert sind, sich während der Infektion nicht änderte, was darauf hindeutet, dass die GPI-APs von der Oberfläche entfernt wurden, ohne den gesamten Pool, der den Zellen zur Verfügung stand, zu beeinträchtigen.

Weitere Studien mit anderen Toxinen zeigten, dass auch diese zu einer ähnlichen GPI-AP-Internalisierung führten, was darauf hinweist, dass dies kein einzigartiges Merkmal von Pneumolysin ist, sondern auf andere Toxine zutreffen könnte, die Wirtszellen schädigen.

#Die Rolle von Rho GTPasen

Um den Mechanismus hinter der GPI-AP-Internalisierung zu verstehen, untersuchten die Forscher die Rolle von Rho GTPasen. Sie fanden heraus, dass das Blockieren von Rho GTPasen mit speziellen Hemmstoffen die Fähigkeit von Pneumokokken auffing, die Oberflächenexpression von GPI-APs zu reduzieren, was darauf hindeutet, dass RhoA und Cdc42 entscheidend für diesen Prozess sind.

Weitere Experimente unter Verwendung von RNA-Interferenz (RNAi), um Cdc42 und RhoA herunterzuregulieren, zeigten, dass diese Proteine für die Internalisierung von GPI-APs während der Infektion unerlässlich sind.

Interessanterweise entdeckten sie, dass Pneumolysin RhoA und Cdc42 schnell und vorübergehend aktivieren kann, wenn es Zellen hinzugefügt wird, was darauf hindeutet, dass das Toxin die zellulären Mechanismen schnell in Gang bringt, um die Internalisierung von GPI-APs einzuleiten.

#GPI-APs und PLY-Interaktionen

Die Interaktionen zwischen Pneumolysin und Wirtszellen sind komplex. Obwohl andere Toxine GPI-APs benötigen, um Pores zu bilden, benötigt Pneumolysin nicht die Anwesenheit dieser Proteine auf der Oberfläche der Wirtszellen für die Porenbildung.

Diese Erkenntnis legt nahe, dass Pneumolysin zwar mit GPI-APs interagiert, seine schädlichen Effekte jedoch unabhängig von ihnen ausüben kann.

#Mechanismen der Membranreparatur

Die Studie stellte auch Fragen darüber auf, wie Wirtszellen es schaffen, sich von den Schäden, die durch Pneumolysin und andere Toxine verursacht werden, zu reparieren und zu erholen. Wenn Wirtszellen Schäden erleiden, können sie Reparaturmechanismen einleiten, und die Internalisierung von GPI-APs scheint Teil dieses Prozesses zu sein.

Epidemiologische Beweise deuten darauf hin, dass eine effektive Membranreparatur entscheidend für das Überleben der Zellen während Infektionen ist. Daten zeigten, dass Zellen mit reduzierten GPI-AP-Werten während pneumokokkaler Infektionen weniger wahrscheinlich von Pneumolysin geschädigt wurden, was darauf hindeutet, dass ein potenzieller Reparaturmechanismus in Gang kommt.

#Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass S. pneumoniae mehrere Strategien einsetzt, um die Oberflächenexpression von GPI-ankergebundenen Proteinen auf Wirtszellen zu reduzieren, hauptsächlich durch die Wirkung seines Toxins Pneumolysin. Die Internalisierung dieser Proteine ist ein komplexer Prozess, der von Wirts-Rho-GTPasen reguliert wird und mit einem verringerten Niveau von Zellschäden assoziiert ist.

Das Verständnis dieser Wechselwirkungen zwischen S. pneumoniae und Wirtszellen kann Einblicke geben, wie die Bakterien in der Wirtsumgebung gedeihen und möglicherweise zu neuen therapeutischen Zielen führen, um Infektionen, die durch diesen Erreger verursacht werden, zu bekämpfen. Die Erkenntnisse heben die doppelte Rolle von Pneumolysin hervor, das nicht nur die Infektion erleichtert, sondern auch Reparaturmechanismen des Wirts auslöst, die den Bakterien helfen könnten, Immunreaktionen zu umgehen. Weitere Studien sind notwendig, um die zugrunde liegenden Mechanismen und potenziellen Implikationen für Behandlungs- und Präventionsstrategien vollständig zu erläutern.