 |
Staphylococcus aureus
Nur wenige wissen, dass ca. 35 % der gesunden Bevölkerung (sogenannte Carrier) symptomlos mit Staphylococcus (S.) aureus (Abb. 1) besiedelt sind. Dabei ist der vordere Nasenhof die bevorzugte ökologische Nische der Bakterien. Berüchtigt sind diese Bakterien als Wundkeim und Krankenhaus-Erreger, die ein breites Spektrum an Krankheiten, unter anderem Toxin-vermittelte Syndrome (wie das Toxische Schock Syndrom), verursachen können.
Virulenzfaktoren von S. aureus
Bei den Produkten des Bakteriums, die eine Erkrankung auslösen können, spricht man von Virulenzfaktoren. S. aureus besitzt hunderte solcher Faktoren, deren Wirkungen noch längst nicht entschlüsselt sind (Abb. 2). Gut untersucht sind die Superantigene, die bereits in geringsten Konzentrationen eine massive Aktivierung von T-Zellen auslösen (Abb. 3). Konventionelle Antigene stimulieren im Vergleich nur sehr wenige T-Zellen, nämlich gerade diejenigen, die mit ihrem T-Zellrezeptor hochspezifisch binden können, etwa eine von 10 000. Weil Superantigene T-Zellen ohne Rücksicht auf deren Antigenspezifität aktivieren, sprechen sie gleichzeitig bis zu 20 % aller T-Zellen im Organismus an, was im tödlichen toxischen Schock Syndrom (Tamponkrankheit) münden kann. Zusätzlich zu ihrer Superantigenität wirken Superantigene aber auch als konventionelle Antigene und induzieren eine spezifische Antikörperantwort wie bei jeder klassischen Immunisierung. Die Antikörper haben eine Schutzfunktion, indem sie die Superantigene binden und in ihrer Wirkung neutralisieren.
Bisher wurden 19 verschiedene Superantigene beschrieben: TSST-1, die staphylococcal enterotoxins (SEA-SEE, SEG-SEJ) und die staphylococcal enterotoxin-like toxins (SElK-SElR und SElU). Sechs dieser Superantigen-Gene liegen in einem Cluster, im sogenannten enterotoxin gene cluster(egc). Obwohl diese egc-Gene die häufigsten Superantigen-Gene sind, scheinen sie nur selten Toxischen Schock auszulösen. Überraschenderweise sind auch neutralisierende Antikörper gegen egc-Superantigen selten. Egc-Superantigen werden von den Bakterien bevorzugt in der exponentiellen Wachstumsphase sezerniert, während die nicht-egc Superantigene erst in der stationären Phase gebildet werden. Erklärt dies die fehlende Antikörperantwort?
Bei der Sequenzierung des Gesamtgenoms verschiedener S. aureus Stämme wurden Gene entdeckt, die den Superantigenen strukturell und in ihrer Aminosäuresequenz sehr ähnlich sind: staphylococcal superantigen like genes (ssl). Die Gene der 14 bislang bekannten SSLs sind im Genom der Bakterien in zwei Clustern lokalisiert. Trotz Ähnlichkeit mit Superantigenen, wirken ihre Genprodukte, die SSL-Proteine, nicht superantigen, T-Zellen werden nicht massiv aktiviert. Trotzdem gehen wir davon aus, dass die SSL-Proteine sehr wichtige Funktionen besitzen. Denn im Gegensatz zu den hoch variablen Superantigenen kommen die ssl-Gencluster in allen S. aureus-Isolaten vor.
Ziele dieses Projekts
- Untersuchung der Reaktion von T-Zellen auf Gruppen von Superantigenen, die sich erstens in ihrer Regulation und zweitens in der Fähigkeit zur Induktion von Antikörper-Antworten voneinander unterscheiden. Ob egc und nicht-egc Superantigene das Immunsystem aufgrund intrinsischer Eigenschaften verschieden beeinflussen, soll durch Transkriptom- und Proteomanalysen von Blutzellen nach Exposition mit representativen Superantigenen beider Gruppen geprüft werden.
- Entwicklung und Optimierung einer experimentellen Strategie, mit der die funktionelle Wirkung von neuen S. aureus-Virulenzfaktoren auf humane Blutzellen systematisch untersucht werden kann. Auf Basis der Vorarbeiten wurden die SSL-Proteine als erstes Beispiel für putative Virulenzfaktoren ausgewählt. Es sollen Techniken der Transkriptom- und Proteomananalyse miteinander kombiniert werden.
Unterscheiden sich egc und nicht-egc Superantigene in ihren intrinsischen Eigenschaften?
Der Vergleich von drei egc und drei nicht-egc Superantigenen zeigte, dass beide Gruppen mit vergleichbarer Potenz die Poliferation von humanen mononukleären Blutzellen(PBMCs) und eine ähnliche Th1/Th2-Cytokinantwort auslösen. Die Ergebnisse wurden durch Genexpressionsanalysen unterstützt, für die humane PBMCs mit einem representativen Vertreter jeder Gruppe stimuliert wurden. Beide Superantigen induzierten ein sehr ähnliches genetisches Programm in den Blutzellen, das einer sehr starken, durch Th1-, Th17-Zellen dominierten Entzündungsantwort entspricht.
Folglich sind die Unterschiede zwischen egc und nicht-egc Superantigen nicht auf unterschiedliche T-Zell-Aktivierung zurückzuführen. Vermutlich lässt sich das biologische Verhalten der beiden Superantigengruppen mit der verschiedenen Expressionsregulation der in den Staphylokokken erklären. Diese führt dazu, dass die Superantigen bei der facettenreichen Interaktion der Bakterien mit ihrem Wirt unter verschiedenen Bedingungen produziert werden.
Wirkung von neuen S. aureus-Virulenzfaktoren auf humane Blutzellen
Bei der Untersuchung der Eigenschaften der Superantigene wurden Methoden etabliert, die ganz allgemein für Untersuchung der Wirkung neuer S. aureus-Virulenzfaktoren auf menschliche Blutzellen geeignet sind. Sie sollen als nächstes für die Entschlüsselung der Funktion der SSL-Proteine eingesetzt werden. Außerdem haben wir die Verfahren zur Reinigung rekombinant hergestellter Proteine optimiert, so dass wir die SSL-Proteine und auch andere interessante Virulenzfaktoren in hoher Qualtität und ausreichender Menge produzieren können.
Ausblick
Zunächst soll nun mit funktionellen Tests überprüft werden, in welchen Konzentrationen SSL-Proteine auf PBMCs wirken. Anschließend werden PBMCs mit den optimalen Proteinkonzentrationen stimuliert und die Änderung des Genexpressionsprogramms wird untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen werden Proteomanalysen angeschlossen.
Die Tatsache, dass S. aureus hunderte von Virulenzfaktoren produziert, von denen wahrscheinlich viele noch gar nicht bekannt sind, lässt erahnen, wie spannend das Projekt auch in Zukunft bleiben wird.
Kooperationspartner
 | John Fraser, University of Auckland, Neuseeland
|
Veröffentlichung
Die beschriebenen Daten zu den intrinsischen Eigenschaften von egc und nicht-egc Superantigenen wurden kürzlich im „The Journal of Immunology“ veröffentlicht (Grumann D. et al, J Immunol. 2008 Oct 1;181(7):5054-61)
Projektdetails
Projektlaufzeit: 2. Laufzeit 10/2007 – 03/2012
Fördersumme: 2.800.850 EUR
Projektträger: DFG, GRK840
Web: www.medizin.uni-greifswald.de/immun/gk840/
|
|
Abb. 2: Welche Virulenzgene haben die Bakterien? S. aureus ist eine extrem variable Bakterienspezies. Fünf Virulenzgene können wir parallel in einer Multiplex-PCR-Reaktion nachweisen – und 5 x n in n Tests
Abb. 3: Teilen sich Immunzellen? Die Menge eines aufgenommenen Fluoreszenzfarbstoffs halbiert sich mit jeder Zellteilung. A: Unbehandelte T-Zellen B: Stimulation der T-Zellen mit bakteriellen Toxinen
|
Öffentlich finanzierte Forschungsprojekte 
für Projekte
uni-greifswald.de
