Einblicke in Bordetella-Bakterien und Bsp22-Filamente

Bordetella-Arten sind Bakterien, die Atemwegsinfektionen bei Tieren und Menschen auslösen können. Die Hauptakteure, die wir uns anschauen, sind B. Bronchiseptica, B. pertussis und B. parapertussis. B. bronchiseptica kann viele verschiedene Säugetiere infizieren und führt zu diversen Gesundheitsproblemen. Diese Probleme können von langanhaltenden, milden Infektionen bis hin zu schweren Erkrankungen wie Zwingerhusten bei Hunden und Bronchopneumonie bei Ferkeln reichen.

B. pertussis, das nur Menschen infiziert, verursacht Keuchhusten, eine Krankheit, die immer noch ein grosses Gesundheitsthema ist. B. parapertussis betrifft auch Menschen, ist aber seltener. Man nimmt an, dass sowohl B. pertussis als auch B. parapertussis sich von einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben, der Ähnlichkeiten mit B. bronchiseptica aufweist, obwohl sie ähnliches genetisches Material teilen.

#Wie Bakterien mit Wirtszellen interagieren

Bordetella-Bakterien nutzen ein spezielles Werkzeug namens Typ-III-Sekretionssystem (T3SS), um Proteine in Wirtszellen zu injizieren. Dieses System ist wie eine kleine Spritze, die es den Bakterien ermöglicht, schädliche Proteine direkt in die Zellen des Organismus einzubringen, den sie infizieren. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte, beginnend mit der Rekrutierung und dem Transport der Proteine durch einen Kanal in den Bakterien.

Die Struktur des T3SS hat Ähnlichkeiten mit den Flagellen von Bakterien, das sind lange, peitschenartige Strukturen, die ihnen helfen, sich zu bewegen. Im Laufe der Zeit hat sich dieses Werkzeug diversifiziert, um sich an verschiedene Bakterienarten und deren Wirte anzupassen.

#Die Struktur des T3SS

Das T3SS-Injektisom (die Struktur, die die Injektion durchführt) besteht aus verschiedenen Teilen. Zum Beispiel hat es bei Bakterien wie Salmonella und Shigella eine Nadel, die 45-80 Nanometer lang ist und eine spezifische Spitze hat. Im Fall von E. coli ist die Spitzenstruktur etwas anders, was zeigt, dass verschiedene Bakterien ihr T3SS an ihre Bedürfnisse angepasst haben.

B. bronchiseptica hat ein einzigartiges Spitzenprotein namens Bsp22. Dieses Protein ist entscheidend für die Fähigkeit der Bakterien, Toxine in Wirtszellen zu injizieren. Als Wissenschaftler Bsp22 von den Bakterien entfernten, konnten die Bakterien zwar einige Funktionen weiterhin durchführen, konnten jedoch das toxische Protein BteA nicht in die Wirtszellen injizieren.

Die Präsenz von Bsp22 ist auch entscheidend für das Überleben der Bakterien in bestimmten Umgebungen, wie zum Beispiel in den Luftröhren von Mäusen. Obwohl eine Impfung mit Bsp22 nicht vor einer Infektion mit B. pertussis schützte, verringerte sie die Menge an B. bronchiseptica, die in den Mäusen überleben konnte.

#Beobachtung von Bsp22-Filamenten

Um besser zu verstehen, wie Bsp22 funktioniert, setzten Wissenschaftler ein kleines Tag in das Bsp22-Protein ein, um es sichtbar zu machen, ohne seine Funktion zu beeinträchtigen. Nachdem sie sichergestellt hatten, dass das modifizierte Protein immer noch richtig funktionierte, entdeckten sie, dass Bsp22 lange, flexible Filamente bildet. Diese Filamente drehten und verflochten sich, während sie wuchsen.

Um diese Filamente zu sehen, verwendeten die Forscher fortschrittliche bildgebende Techniken. Sie fanden heraus, dass sowohl B. bronchiseptica als auch B. pertussis Bsp22-Filamente produzierten, die mehrere Mikrometer von den Bakterienzellen ausgingen. Das Experiment zeigte, dass diese Filamente flexibel waren und in der Länge variierten.

#Kontinuierliches Wachstum der Bsp22-Filamente

Das Wachstum der Bsp22-Filamente scheint ein kontinuierlicher Prozess zu sein, bei dem neue Bsp22-Proteine an die Enden der Filamente angefügt werden, anstatt deren Länge wie bei einigen anderen bakteriellen Strukturen zu steuern. Die Forscher untersuchten die Filamente zu verschiedenen Zeitpunkten und stellten fest, dass ihre Länge über die Zeit zunahm und Netzwerke bildete, während sie weiter wuchsen.

Sie verwendeten eine spezielle Tagging-Methode, um zu identifizieren, wo neue Bsp22-Proteine hinzugefügt wurden, was bestätigte, dass diese Proteine tatsächlich an die Enden der wachsenden Filamente angefügt wurden.

#Bsp22-Filamente und Calciumregulation

Wissenschaftler schauten sich auch an, wie Umweltfaktoren wie Calciumionen die Produktion von Bsp22-Filamenten beeinflussten. Calciumionen sind bekannt dafür, wie einige Bakterien ihre Proteine injizieren, aber sie fanden heraus, dass das Hinzufügen von Calcium die Anzahl der produzierten Bsp22-Filamente nicht änderte.

Als sie die Anzahl der Bsp22-Filamente mit einem anderen Bestandteil des Injektisoms verglichen, entdeckten sie, dass Bsp22-Filamente weniger zahlreich waren. Das wirft Fragen darüber auf, wie Bakterien die Assemblierung ihrer Injektionssysteme und die Produktion von Bsp22-Filamenten regulieren.

#Interaktion mit Wirtszellen während der Infektion

Um besser zu verstehen, wie Bsp22-Filamente während der Infektion funktionieren, untersuchten Wissenschaftler ihr Verhalten, wenn Bakterien Wirtszellen infizierten. Sie schufen eine nicht-toxische Version der Bakterien, um sicherzustellen, dass sie die Bsp22-Filamente während des Infektionsprozesses verfolgen konnten.

Bei der Infektion mit diesen modifizierten Bakterien zeigten die Wirtszellen weniger Bsp22-Filamente als auf Glasoberflächen. Die Filamente wiesen in verschiedene Richtungen und interagierten manchmal eng mit der Oberfläche der Wirtszelle, wobei sie kleine Brücken bildeten.

#Verhalten der Bsp22-Filamente in differenzierten nasalen Epithelzellen

Als nächstes züchteten Forscher menschliche nasale Epithelzellen in einem speziellen Kultursystem, das ihnen ermöglichte, die Infektion realistisch nachzuahmen. Als sie diese Zellen infizierten, beobachteten sie, dass die Bakterien sich an die Zilien anhefteten, die kleinen haartartigen Strukturen auf der Zelloberfläche.

Während der Infektion bemerkten die Wissenschaftler, dass die Bsp22-Filamente parallel zu den Zilien ausgerichtet waren und ihre Anzahl im Laufe der Zeit abnahm. Das deutete darauf hin, dass die Filamente möglicherweise in den frühen Phasen der Infektion wichtig sind, während die Interaktion mit den Wirtszellen ihr Wachstum zu begrenzen scheint.

#Fazit

Diese Studie gibt Aufschluss über das Verhalten von Bsp22-Filamenten aus Bordetella-Bakterien. Durch bildgebende Verfahren konnten Wissenschaftler visualisieren, wie sich diese Filamente von den Bakterienzellen ausdehnen und mit Wirtszellen interagieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bsp22-Filamente zwar einzigartige Eigenschaften haben, aber auch Anpassungsfähigkeit zeigen, indem sie sich an die Umgebungen anpassen, denen sie begegnen.

Die laufende Forschung wird weitere Einblicke geben, wie Bordetella-Arten ihre Wirte infizieren und welche Rolle das T3SS in diesen Prozessen spielt. Das Verständnis dieser Interaktionen ist entscheidend, um bessere Behandlungen und Impfstoffe für verwandte Krankheiten zu entwickeln.