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Vascular tumors associated with chronic B. henselae infections are unique examples of infection-associated pathological angiogenesis. The chaotic vascular architecture and prominent myeloid infiltrate of B. henselae induced vascular lesions show many similarities with malignant tumors.
In human cancers infiltrating myeloid cells play a decisive role in tumor progression and vascularization. In particular, tumor associated macrophages (TAMs) transform the tumor microenvironment, drive tumor invasion and vascularization through secretion of pro-angiogenic and immune modulatory cytokines and participation in matrix remodeling processes.
Myeloid angiogenic cells (MACs) are a subset of circulating myeloid progenitors with important roles in regenerative and pathological angiogenesis and a critical involvement in tumor vascularization. The phenotypic plasticity and importance of MACs in pathological angiogenic processes, position these cells as key potential players in B. henselae associated vascular tumor formation.
To investigate the possible role of MACs in B henselae induced pathological angiogenesis, the objective of this study was to examine the interaction of B. henselae with MACs and determine how this may affect their angiogenic capacity.
Building on previous work by Mӓndle (2005) this study has demonstrated that MACs are susceptible to infection with B. henselae and reside in intracellular vacuoles. As in endothelial cells, infection of MACs with B. henselae was associated with inhibition of apoptosis and activation of endogenous angiogenic programs including activation of the angiogenic transcription factor HIF-1.
In addition to angiogenic re-programming on a molecular level B. henselae infection increases MAC functional angiogenic capacity. B. henselae infected MACs were found to integrate into growing endothelium and increase the rate of angiogenic sprouting in a paracrine manner.
When cultured in a Matrigel capillary formation assay, infected MACs were also found to form networks of capillary-like structures that were stable over long periods of time. The B. henselae pathogenicity factor BadA was essential for the induction of this vascular mimicry phenotype as well as the activation of HIF-1 in infected MACs indicating that this factor may play an important role in MAC angiogenic re-programming.
Examination of infected MACs via FACS analysis, cytospin immunohistochemistry and qRT-PCR revealed that endothelial differentiation does not play a role in the B. henselae induced pro-angiogenic phenotype. Instead, MACs were shown to be myeloid in phenotype displaying typical macrophage markers which were upregulated upon B. henselae infection and maintained over long-term culture.
The increased angiogenic activity of B. henselae infected MACs was found to be associated with a broad phenotypic reprogramming in infected cells. In particular, gene expression programs related to angiogenesis, structural organization, apoptosis, sterol metabolism and immune regulation, were upregulated. Further examination of microarray gene expression profiles revealed that B. henselae infected MACs display a predominantly M2 anti-inflammatory macrophage activation status.
Finally, examination of the paracrine microenvironment created by B. henselae infected MACs revealed a diverse cytokine secretion profile dominated by inflammatory-angiogenic cytokines and matrix remodeling elements and lacking expression of some of the most important cytokines involved in the expansion of the inflammatory response. This B. henselae induced activation status was demonstrated to be distinct from the general inflammatory response induced by E. coli LPS treatment.
Comparison of B. henselae infected MACs to TAMs revealed many parallels in functional and phenotypic characteristics. Both TAMs and B. henselae infected MACs demonstrate increased angiogenic capacity, invasive, and immune modulatory phenotypes and the ability to participate in the formation of vascular mimicry phenotypes under angiogenic pressure. Furthermore, the pro-angiogenic paracrine microenvironment created by B. henselae infected MACs shows many similarities to the TAM-created tumor-microenvironment.
In conclusion, these investigations have demonstrated that the infection of MACs with B. henselae results in the phenotypic re-programming towards TAM-like cells with increased pro-angiogenic, invasive and immune-modulatory qualities. The results of this study elucidate new aspects of B. henselae pathogenicity in myeloid cells and highlight the role of these cells as paracrine mediators of B. henselae induced vascular tumor formation. In addition, these findings demonstrate that manipulation of myeloid cells by pathogenic bacteria can contribute to microenvironmental regulation of pathological tissue growth and suggest parallels underlying bacterial infections and cancer.
Bartonella Adhäsin A (BadA), das zur Gruppe der TAAs gehört, ist ein essentieller Pathogenitätsfaktor von B. henselae und übernimmt während des Infektionsverlaufs wichtige Funktion wie Autoagglutination, Adhärenz an ECM-Proteine und Endothelzellen. BadA weist die für die für die Proteinklasse der TAAs charakteristische modulare Architektur bestehend aus N-terminaler Kopf-Domäne, Stiel-Domäne, Hals-Domäne und C-terminaler Membrananker-Domäne auf. Der modulare Aufbau des Proteins deutet daraufhin, dass bestimmte Domänen mit bestimmten biologischen Funktionen des Proteins verknüpft sind. Zur Untersuchung dieser Hypothese wurden Deletionsmutanten des BadA generiert.
Die Generierung weiterer BadA-Deletionsmutanten wird durch das langsame Wachstum des Erregers und die geringe Auswahl an molekularbiologischen Werkzeugen zur genetischen Manipulation von B. henselae erschwert. Daher sollte in ersten Teil dieser Arbeit ein Expressionsmodell für Deletionsmutanten des BadA etabliert und charakterisiert werden. Dies sollte am Beispiel des trunkierten BadA, BadA HN23, durchgeführt werden. Hierzu sollten drei Hybrid-Varianten des BadA HN23 erstellt werden: (i) Austausch der BadA-Signalsequenz gegen die E. coli OmpA-Signalsequenz, (ii) Austausch der BadA-Membrananker-Domäne gegen die YadA-Membrananker-Domäne sowie (iii) Austausch von sowohl der BadA-Signalsequenz als auch der BadA-Membrananker-Domäne gegen die bereits genannten Elemente. Danach sollten die konstruierten BadA HN23 Hybride und das BadA HN23 in induzierbare Expressionsvektoren kloniert und spezielle E. coli-Expressionsstämme mit diesen Plasmiden transformiert werden. Bei erfolgreicher Expression sollten die optimalen Bedingungen für die Expression (Temperatur, Induktorkonzentration) ermittelt werden und an-schließend die biologische Funktion der heterolog exprimierten BadA HN23 Hybride überprüft werden.
Der erste Abschnitt der hier vorliegenden Arbeit zeigte folgende Ergebnisse:
1) Die beschrieben BadA HN23 Hybrid Konstrukte wurden durch Austausch von: (i) BadA-Signalsequenz gegen E. coli OmpA-Signalsequenz im BadA HN23,
(ii) BadA-Membrananker-Domäne gegen YadA-Membrananker-Domäne im BadA HN23 und
(iii) Austausch von BadA-Signalsequenz und BadA-Membrananker-Domäne gegen E. coli OmpA-Signalsequenz und YadA-Membrananker-Domäne im BadA HN23 generiert.
Die BadA HN23 Hybride und BadA HN23 wurden in Expressionsvektoren kloniert und E. coli Omp2, E. coli Omp8 und E. coli Omp8ΔdegP transformiert.
2) Alle BadA HN23 Hybrid-Konstrukte und BadA HN23 lagen in einer monomeren und trimeren Form vor.
3) Durch IFT und - Durchflusszytometrie-Untersuchungen wurde die Oberflächenexpression der einzelnen Konstrukte quantifiziert. Es zeigte sich, dass es deutliche Unterschiede in der Menge des auf der Zelloberfläche befindlichen jeweiligen BadA HN23 Proteins gab. Dabei wiesen die Konstrukte, die die YadA-Membrananker-Domäne besaßen (BadA HN23 Hybrid 2 und 3), die stärkste Oberflächenexpression auf.
4) Die biologische Funktion des BadA HN23 wurde mittels des E. coli Omp2 BadA HN23 Hybrid 3 charakterisiert. Heterolog exprimiertes BadA HN23 vermittelt Autoagglutination, die Adhärenz des Expressionsstammes an Kollagen G und Endothelzellen.
5) Die Expression des BadA HN23 führt zur signifikant verstärkten in-vivo-Pathogenität im Galleria mellonella-Infektionsmodell.
6) Das E. coli-Expressionsmodell lieferte keine Aussage über eventuelle immunodominate Funktionen des heterolog exprimierten BadA HN23, da auch mit im IFT als anti- B. henselae negativ eingestuften Patientenseren im WB ein BadA HN23 spezifisches Bandensignal detektiert wurde. Dot Blot-Experimente ermöglichten ebenfalls keine Aussage über eventuelle immunodominate Funktion des nativen BadA HN23, da das verwendete anti-B. henselae-positive Patientenserum unspezifische Reaktion gegenüber dem Kontrollstamm zeigte.
Für verschiedene TAAs ist beschrieben worden, dass sie die Serumresistenz der exprimierenden Spezies vermitteln. Daher sollte im zweiten Teil dieser Arbeit der Einfluss von BadA auf eventuelle Serumresistenz zweier B. henselae-Isolate untersucht werden. Dieser Teil lieferte folgende Ergebnisse:
1) B. henselae zeigte Sensitivität gegenüber normalem humanem Serum.
2) Sowohl BadA-positive als auch BadA-negative B. henselae-Isolate können Komplementinhibitoren wie Faktor H binden. Die dabei gebundene Menge ist relativ klein.
Die Expression von Deletionsmutanten des BadA in E. coli ist ein vielversprechendes Modell zur Analyse der Domänen-Funktionsbeziehung des BadA, da die meisten biologischen Funktionen einer homolog exprimierten BadA-Deletionsmutante reproduziert werden konnten und es sich bei E. coli um ein schnell wachsendes Bakterium, das sich leicht genetisch manipulieren lässt, handelt. Allerdings stellt das zytotoxische LPS des E. coli sowie das schnelle Wachstums der Bakterien eine Limitation des Expressionssystems dar, indem es Untersuchungen zum Einfluss der jeweiligen BadA-Deletionsmutante auf die Induktion der proangiogenetischen Wirtszellantwort verhindert oder Untersuchungen zum Einfluss der jeweiligen BadA-Deletionsmutante auf die Adhärenz an Endothelzellen deutlich erschwert. Außerdem kann eine mögliche Interaktion zwischen BadA bzw. BadA-Deletionsmutanten und dem TIVSS und zwischen BadA bzw. BadA-Deletionsmutanten und weiteren Adhäsinen (wie z.B. dem FHA) mit Hilfe dieses Expressionssystems nicht untersucht werden. Dies wäre nur im B. henselae Wildtyp-Stamm möglich.
The capacity of pathogenic bacteria to adhere to host cells and to avoid subsequent clearance by the host´s immune response is the initial and most decisive step leading to infections. Human pathogenic bacteria circulating in the bloodstream need to find ways to interact with endothelial cells (ECs) lining the blood vessels to infect and colonise the host. The extracellular matrix (ECM) of ECs might represent an attractive initial target for bacterial interaction, as many bacterial adhesins have reported affinities to ECM proteins, particularly fibronectin (Fn). Trimeric autotransporter adhesins (TAA) have been described as important pathogenicity factors of Gram-negative bacteria. The TAA from human pathogenic Bartonella henselae, Bartonella adhesin A (BadA), is one of the longest and best characterised adhesin and represents a prototypic TAA due to its domain architecture. B. henselae, the causative agent of cat scratch disease, endocarditis, and bacillary angiomatosis, adheres to ECs and ECM proteins via BadA interaction.
In this research, it was determined that the interaction between BadA and Fn is essential for B. henselae host cell adhesion. BadA interactions were identified within the heparin-binding domains of Fn, and the exact binding sites were revealed by mass spectrometry analysis of chemically crosslinked whole-cell bacteria and Fn. It turned out that specific BadA interactions with defined Fn regions represent the molecular basis for bacterial adhesion to ECs. These data were confirmed by using BadA-deficient bacteria and CRISPR-Cas FN1 knockout ECs. It was also identified that BadA binds to Fn from both cellular and plasma origin, suggesting that B. henselae binding to Fn might possibly take part in other infection processes apart from bacterial adherence, e.g. evasion from the host cell immune system.
Interactions between TAAs and Fn represent a key step for adherence of B. henselae to ECs. Still, Fn-mediated binding is of more significant importance for pathogenic bacteria than broadly recognised. Fn removal from the ECM environment of ECs, also reduced adherence of Staphylococcus aureus, Borrelia burgdorferi, and Acinetobacter baumannii to host cells Interactions between adhesins and Fn might therefore represent a crucial step for the adhesion of human-pathogenic Gram-negative and Gram-positive bacteria targeting the ECs as a niche of infection or as means for persistence.
This research demonstrated that combining large-scale analysis approaches to describe protein-protein interactions with supportive functional readouts (binding assays) allows for the discrimination of crucial interactions involved in bacterial adhesion to the host. The herein-described experimental approaches and tools might guide future research for other pathogenic bacteria and represent an initial point for the future generation of anti-virulence strategies to inhibit bacterial binding to host cells.
Adhesion to host cells is the first and most crucial step in infections with pathogenic Gram negative bacteria and is often mediated by trimeric autotransporter adhesins (TAAs). TAA-producing bacteria are the causative agent of many human diseases and TAA targeted anti-adhesive compounds might counteract such bacterial infections. The modularly structured Bartonella adhesin A (BadA) is one of the best characterised TAAs and serves as an attractive adhesin to study the domain-function relationship of TAAs during infection. BadA is a major virulence factor of B. henselae and is essential for the initial attachment to host cells via adhesion to extracellular matrix proteins. B. henselae is the causative agent of cat scratch disease and adheres to fibronectin using its long BadA fibres. The life cycle of this pathogen, with alternating host conditions, drives evolutionary and host-specific adaptations.
Human, feline, and laboratory adapted B. henselae isolates display genomic and phenotypic differences. By analysing the genomes of eight B. henselae strains using long-read sequencing, a variable genomic badA island with a diversified and highly repetitive badA gene flanked by badA pseudogenes was identified. Moreover, numerous conserved flanking genes were characterised, however, their influence on the regulation of badA expression and modification remains to be explored. It seems that B. henselae G 5436 is the evolutionary ancestor of the other B. henselae strains analysed in this work. The diversity of the badA island among the B. henselae strains indicates that the downstream badA-like domain region might be used as a ‘toolbox’ for rearrangements in the badA gene. Overall, it is suggested that badA-domain duplications, insertions, and/or deletions are the result of active phase variation via site-specific recombination and contribute to rapid host adaptation in the scope of pathogenicity, immune evasion, and/or enhanced long-term colonisation.
The model strain B. henselae Marseille expresses a badA gene that includes 30 repetitive neck/stalk domains, each consisting of several predicted structural motifs. To further elucidate the motif sequences that mediate fibronectin binding, various modified badA constructs were generated. Their ability to bind fibronectin was assessed via whole-cell ELISA and fluorescence microscopy. In conclusion, it is suggested that BadA adheres to fibronectin in a cumulative fashion with quick saturation via unpaired β-strands appearing in structural motifs present in BadA neck/stalk domains 19, 27, and other homologous domains. Furthermore, antibodies targeting a 15-mer amino acid sequence in the DALL motif of BadA neck/stalk domain 27 were able to reduce fibronectin binding of the B. henselae mutant strain S27. Moreover, this DALL motif sequence is conserved in the genome of all analysed B. henselae strains. The identification of common binding motifs between BadA and fibronectin supports the development of new anti-adhesive compounds that might inhibit the initial adherence of B. henselae and other TAA-producing pathogens during infection.
Identifizierung und funktionelle Analyse von Pathogenitätsfaktoren in Bartonella bacilliformis
(2023)
Die Carrión-Krankheit ist eine durch Vektoren übertragene vernachlässigte Tropenkrankheit (neglected tropical disease), die in den südamerikanischen Andentälern auf einer Höhe von 600 3.200 m über dem Meeresspiegel vor allem in Peru, aber auch in Ecuador und Kolumbien endemisch ist. Der Erreger dieser Infektionskrankheit ist Bartonella bacilliformis, ein strikt humanpathogenes, Gram-negatives, fakultativ intrazelluläres Stäbchen der Klasse der Alphaproteobakterien. In der akuten Krankheitsphase, die als "Oroya-Fieber" bezeichnet wird, infizieren die Erreger Erythrozyten und verursachen eine schwere akute hämolytische Anämie, hohes Fieber sowie eine ausgeprägte Immunsuppression. Für diese Phase wurden Sterblichkeitsraten von bis zu 88% beschrieben. Dem Oroya-Fieber folgt meist eine chronische Infektion der vaskulären Endothelzellen, bei der durch vaskulo-endotheliale Proliferationen noduläre, Hämangiom-ähnliche, kutane Gefäßläsionen, die als "Verruga peruana" bezeichnet werden, entstehen. Diese beiden Phasen treten in der Regel nacheinander, manchmal aber auch unabhängig voneinander auf. Die Übertragung auf dem Menschen erfolgt durch den Biss infizierter Sandmücken (Lutzomyia spp.), die in den hochgelegenen Regionen der Anden vorkommen. Klimatische Veränderungen führen jedoch zur Expansion des Vektors auf angrenzende Regionen und begünstigen damit die Ausbreitung von B. bacilliformis-Infektionen.
In der Erforschung der Carrión-Krankheit besteht ein erheblicher Wissensmangel zu zahlreichen Aspekten (z. B. Epidemiologie, Infektionsbiologie, Diagnostik, Therapie), wodurch die Entwicklung von potenziellen Diagnostika, Therapeutika oder Vakzinen verhindert wird. Auch wenn frühere Studien zum Ziel hatten, immundominante Proteine für die Entwicklung serodiagnostischer Verfahren und Impfstoffe zu identifizieren, ist bislang kein validierter serologischer Test bzw. ein Impfstoff verfügbar. Daher sollte im ersten Teil dieser Arbeit ein serologischer Test zum Nachweis von anti-B. bacilliformis-Antikörpern entwickelt werden. Hierzu wurde ein Ansatz aus reverser Vakzinologie in Kombination mit einer Analyse heterologer genomischer Expressionsbibliotheken verfolgt, um geeignete immundominante Proteine zu identifizieren. Insgesamt wurden 21 potenziell immundominante Proteine identifiziert, rekombinant produziert, und auf ihre Reaktivität mit B. bacilliformis Patientenseren mittels Immunoblotting analysiert. Von den 21 Antigenkandidaten erwiesen sich 14 als immunreaktiv, die anschließend in einer Lineblot-Analyse mit 26 Serumproben von peruanischen B. bacilliformis Patienten und 96 Serumproben von gesunden deutschen Blutspendern ohne Reisevorgeschichte in Südamerika auf ihren potenziellen Nutzen für serologische Test untersucht wurden. Drei Antigene (Porin-B, Autotransporter-E und hypothetisches Protein-B) erwiesen sich für die Entwicklung eines diagnostischen ELISA als geeignet und wurden in zwei verschiedenen Antigenkombinationen (ELISA 1: Porin-B, Autotransporter-E, ELISA 2: Porin-B, Autotransporter-E, hypothetisches Protein B) verwendet. Um die Leistungsfähigkeit des B. bacilliformis ELISA zu bewerten, wurde eine Receiver-Operating-Characteristic-Analyse durchgeführt. Für die Kombination aus Porin-B und Autotransporter-E lag die Sensitivität des Tests bei 80,8% und die Spezifität bei 94,8%, wohingegen die Kombination aus Porin-B, Autotransporter-E und dem hypothetischem Protein-B in einer Sensitivität von 76,9% und einer Spezifität von 93,8% resultierte. Dieser neu entwickelte ELISA könnte ein nützliches serodiagnostisches Instrument für künftige epidemiologische Studien über B. bacilliformis in endemischen Gebieten darstellen. Darüber hinaus könnten die hier identifizierten immundominanten Antigene eine erste Grundlage für die zukünftige Entwicklung von Impfstoffen für die Prävention Carrión-Krankheit bilden.
Erythrozyten-Invasion und Hämolyse sind wahrscheinlich die wichtigsten Schritte in der Pathogenese der Carrión-Krankheit und verantwortlich für die hohe Sterblichkeitsrate beim Menschen. Genaue mechanistische Kenntnis dieses Prozesses sind entscheidend für die Entwicklung therapeutischer Arzneimittel. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollten die in der Hämolyse involvierten Pathogenitätsfaktoren von B. bacilliformis identifiziert werden. Hierzu wurde eine Tn5-Transposonmutagenese in den beiden B. bacilliformis Stämmen KC583 und KC584 durchgeführt. Ein screening nach Hämolyse-defizienten Mutanten führte zur Identifizierung von zwei Pathogenitätsfaktoren: einem Porin (Porin-A) und einer α/β-Hydrolase. Ihre vermutete Funktion im Prozess der Hämolyse wurde durch eine zielgerichtete markerlose Deletion sowie durch genetische Komplementationen in vitro funktionell bestätigt. Dabei zeigte sich, dass Porin-A und die α/β Hydrolase jeweils essenzielle Faktoren für die Hämolyse darstellen. Durch eine in silico-Charakterisierung konnte konservierte biologische Funktionen identifiziert sowie die dreidimensionale Struktur der Proteine vorhergesagt werden. Diese Versuche bilden eine experimentelle Basis, um die Rolle von Porin-A und der α/β-Hydrolase näher untersuchen zu können und um potenzielle (Porin-A und α/β-Hydrolase) Inhibitoren mit anti-hämolytischer und damit therapeutische Wirkung testen zu können.