Infektionsforschung

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Wie Listerien das Immunsystem austricksen

Listeria monocytogenes verursacht beim Menschen meist lebensmittelbedingte Infektionen, die bei gesunden Personen häufig mild verlaufen. Besonders gefährdet sind jedoch Schwangere, Neugeborene, ältere und immungeschwächte Menschen. Bei invasiven Infektionen kann der Erreger die Darmbarriere überwinden, in die Blutbahn gelangen und schwere Erkrankungen wie eine Sepsis oder Meningitis auslösen.

Eine wesentliche Voraussetzung der Pathogenität des Bakteriums ist seine Fähigkeit, sich innerhalb von Wirtszellen zu vermehren und anschließend direkt in benachbarte Zellen einzudringen. Dazu nutzt es unter anderem das Wirtszellprotein Aktin. Dessen Polymerisation erzeugt Aktinfilamente, entlang derer sich der Erreger durch das Zytoplasma bewegt.

In einer aktuellen Arbeit, die kürzlich im Fachjournal »Nature Communications« erschienen ist, berichten Forschende um Dr. Patrick J. Woida vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA, dass das Bakterium das körpereigene Enzym CYLD-Lysin-63-Deubiquitinase (CYLD) manipuliert. CYLD ist eine Protease, die Ubiquitin von bestimmten Proteinen entfernt und dadurch die Aktivitäten dieser Proteine reguliert. Mithilfe eines bakteriellen Virulenzfaktors verändert der Erreger die räumliche Verteilung dieses Enzyms und schwächt dadurch einen wichtigen Mechanismus der angeborenen Immunabwehr.

Um die molekularen Wechselwirkungen zwischen Bakterium und Wirtszelle genauer zu untersuchen, entwickelten die Forschenden eine Methode zur gezielten Markierung von Proteinen an der Bakterienoberfläche. Das Verfahren basiert auf der sogenannten Split-TurboID-Technologie. Dabei wird eine Biotinligase in zwei zunächst inaktive Fragmente aufgeteilt, von denen eines an der bakteriellen Oberfläche und das andere im Zytoplasma der Wirtszelle lokalisiert ist. Erst wenn beide Fragmente räumlich zusammentreffen, entsteht eine enzymatische Aktivität, die benachbarte Proteine mit Biotin markiert. Diese lassen sich anschließend isolieren und massenspektrometrisch identifizieren.

Auf diese Weise identifizierte das Team insgesamt 2382 Proteine und charakterisierte zahlreiche Faktoren, die mit der Oberfläche intrazellulärer Listerien assoziiert sind. Besonderes Interesse galt der Deubiquitinase CYLD. Wenn dieses Enzym bestimmte Ubiquitinverknüpfungen von Proteinen entfernt, beeinflusst dies unter anderem Entzündungsreaktionen und angeborene Immunantworten.

Die Forschenden stellten fest, dass sich CYLD vor allem an den beiden Enden der Bakterien ansammelt. Damit das Enzym dort andocken kann, müssen die Bakterien zuvor mit bestimmten Ubiquitinketten markiert werden. Diese bestehen aus mehreren Ubiquitinmolekülen, die über ihre Methioninreste miteinander verbunden sind. Man spricht deshalb von linearen oder M1-verknüpften Ubiquitinketten.

Die Bildung dieser Ketten an der Bakterienoberfläche hängt von der körpereigenen E3-Ubiquitinligase RNF213 ab, die eine wichtige Rolle bei der Abwehr intrazellulärer Krankheitserreger spielt. Überraschenderweise ist der sogenannte LUBAC-Komplex daran nicht beteiligt, obwohl dieser bislang als einziger Enzymkomplex bekannt ist, der lineare Ubiquitinketten bilden kann. Wie die Ketten ohne LUBAC entstehen, ist noch ungeklärt.

Die Forschenden fanden außerdem heraus, dass das bakterielle Protein Internalin C (InlC) eine entscheidende Rolle bei der Rekrutierung von CYLD spielt. InlC kann an CYLD binden und bewirkt, dass sich das Enzym an den mit Ubiquitin markierten Bakterien anreichert. Fehlte den Listerien InlC, sammelte sich deutlich weniger CYLD an ihrer Oberfläche. Wurde das Protein wieder hergestellt, kehrte auch die Anreicherung zurück. Wie genau InlC die Umverteilung von CYLD bewirkt, ist allerdings noch unklar.

Doch welchen Vorteil haben die Listerien davon? Zunächst vermuteten die Forschenden, dass CYLD die Ubiquitinmarkierungen von den Bakterien entfernt und sie dadurch vor dem Abbau durch die Wirtszelle schützt. In den untersuchten Epithelzellen bestätigte sich diese Annahme jedoch nicht. CYLD beeinflusste dort weder die Ubiquitinierung der Bakterien noch die Anreicherung von Autophagiemarkern an ihrer Oberfläche messbar.

Stattdessen entdeckten die Forschenden eine andere Funktion: CYLD hilft den Listerien, sich trotz einer Immunantwort von einer Wirtszelle zur nächsten auszubreiten.

Dabei spielt der Immunbotenstoff Interferon-γ eine wichtige Rolle. Er aktiviert Abwehrmechanismen in infizierten Zellen und kann so die Ausbreitung der Bakterien bremsen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass CYLD einem dieser Schutzmechanismen entgegenwirkt.

Das zeigte sich in Versuchen mit Epithelzellen, in denen das Gen für CYLD ausgeschaltet worden war. In diesen Zellen konnte Interferon-γ die Ausbreitung der Listerien deutlich stärker hemmen. Ähnliches beobachteten die Forschenden, wenn sie Bakterien verwendeten, denen das Protein InlC fehlte.

Weitere Experimente zeigten, dass dieser Schutzmechanismus von der E3-Ubiquitinligase RNF213 abhängt. Wurde RNF213 ausgeschaltet, konnte Interferon-γ die Ausbreitung der Listerien nicht mehr einschränken. Das galt auch dann, wenn zusätzlich CYLD fehlte.

Daraus ergibt sich folgendes Bild: RNF213 ist an einem Abwehrmechanismus beteiligt, der die Ausbreitung von Listerien zwischen benachbarten Zellen begrenzt. Die Bakterien wirken diesem Mechanismus entgegen, indem sie mithilfe von InlC das körpereigene Enzym CYLD an ihre Oberfläche holen. Wie genau CYLD diesen Schutzmechanismus beeinflusst, ist allerdings noch nicht geklärt.

Bemerkenswert ist zudem, dass CYLD offenbar je nach Zelltyp unterschiedliche Funktionen erfüllt. Während das Enzym in den untersuchten Epithelzellen die Ausbreitung der Bakterien zwischen benachbarten Zellen begünstigt, hatten frühere Untersuchungen an Makrophagen gezeigt, dass CYLD dort die Beseitigung der Erreger durch Autophagie hemmen kann.

Die Studie zeigt damit einen bislang unbekannten Weg, auf dem Listerien die körpereigene Immunabwehr manipulieren. Welche Proteine CYLD dabei genau verändert, ist allerdings noch nicht geklärt. Auch ob sich aus den Erkenntnissen neue therapeutische Ansätze ergeben könnten, bleibt offen.