Haploide Genetik und Genomeditierung in Immunreaktionen gegen GAS (Haplo-Infect)

Infektionen mit multidrug-resistenten Bakterien sind im Ansteigen während gleichzeitig keine neuen Antibiotika generiert werden. Dies stellt eine global bedrohliche Situation dar, welche die dringende Notwendigkeit neuer antimikrobieller Behandlungen fordert. Adjuvante Immunotherapien sind eine vielversprechende Strategie zur Behandlung von Infektionen. Um dies zu realisieren muss jedoch die Tatsache in Betracht gezogen werden, dass eine Modulation der Immunantwort an die jeweilige Bedrohung einer Infektion angepasst werden muss, um eine optimale Eliminierung von Keimen bei gleichzeitig minimiertem Gewebsschaden zu erreichen. Dies erfordert ein deutlich verbessertes Verständnis der Immunprozesse und die Abschätzung individueller Gefahren bei Infektionen im Humansystem. Um dieses Manko an Wissen zu füllen, möchten wir hiermit einen umfassenden und unvoreingenommenen Einblick in die bakteriellen Erkennungs- und Antwort-Mechanismen humaner Immunzellen nehmen. Zu diesem Zweck werden wir eine neue und einzigartige Methode, nämlich einen Genom-weiten Screen in haploiden Immunzellen vornehmen (Carette et al. Science 2009), in welchen einzelne Gene mittels Gene-trap Virus unterbrochen werden können. Diese mutierten (d.h. knock-out) haploiden Zellen werden nach Inkubation mit Bakterien (bzw. deren Bestandteilen) selektioniert, so dass nur jene Zellen, in welchen durch Mutation ein wichtiges Molekül fehlt, herausgepickt werden. In diesen Zellen wird anschließend durch Sequenzierung die betroffene Mutation detektiert. Die betroffenen Gene (bzw. Proteine) werden anschließend verifiziert, indem wir haploide Zellklone mit der entsprechenden Mutation heranziehen. Diese einzigartige Kollektion an humanen knock-out Zellen ist eine ausnehmend gut charakterisierte Sammlung an Zellen, welche konditionale Gen- deletionen erlaubt und wird von unserem externen Kollaborationspartner Haplogen und dem Zentrum für Molekulare Medizin (Ce-M-M) zur Verfügung gestellt. Weiters werden wir eine neuartige Genome-Editing Methode namens CRISPR (RNA programmable Cas9)-mediated genome editing, welche von unserem Konsortiums Partner E. Charpentier entdeckt wurde (Deltcheva et al. Nature 2011; Jinek et al. Science 2012) anwenden. Diese Methode erlaubt die gezielte Deaktivierung definierter Genomabschnitte, und wir planen auf diese Art relevante Gene in humanen Immunzellen zu inaktivieren (Cong et al. Science 2013; Mali et al. Science 2013). Die biologischen in vivo Funktion der von uns mittels Screen entdeckten Moleküle soll schlussendlich an Infektionsmodellen im Tierversuch bestätigt werden. Mittels dieser Screens möchte ich mich auf die Entzündungsantwort beim medizinisch relevanten Bakterium Streptokokkus pneumoniae, sowie auf eine Selektion von bakteriellen Zellwandbestandteilen und Nukleinsäuren konzentrieren. Die einzigartige Kombination an Expertisen in unserem Konsortium, welche sowohl Experten der haploiden Genetik, der CRISPR Methode und mit langjähriger Erfahrung in der Erforschung angeborener Immunmechanismen bei bakteriellen Infektionen umfasst, stellt einen klaren und wichtigen Vorteil dar und ist die ideale Voraussetzung dieses innovative Projekt erfolgreich durchzuführen.

Unser Immunsystem muss ständig Bakterien und Viren abwehren und dabei eine kritische Gratwanderung zwischen Über- und Unterreaktion schaffen. Bei unzureichender Immunreaktion können Pathogene nicht effizient bekämpft werden, während zu starke Reaktionen zu Gewebezerstörung führen können. Die Lebensspanne von Immunzellen spielt bei der Regulation der Intensität der Immunreaktion eine zentrale Rolle. In unserer neuesten Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Journal of Clinical Investigation veröffentlicht und zum Großteil durch den FWF finanziert wurde, entdeckten wir, wie die Lebenspanne von Neutrophilen während einer Infektion reguliert wird. Neutrophile, auch neutrophile Granulozyten genannt, sind für die Immunabwehr gegen bakterielle Infektionen unverzichtbar. Neutrophile sind die am häufigsten vorkommenden weißen Blutkörperchen, und sie zeichnen sich durch eine sehr kurze Lebensdauer aus, die zwischen 1 und 4 Tagen liegt. Neutrophile werden durch chemotaktische Vorgänge rasch zur Infektionsstelle angelockt und entfalten danach ihre antimikrobiellen Aktivitäten. Fehler in diesem Prozess führen zur unkontrollierten Vermehrung des Pathogens; eine unkontrollierte Reaktion von Neutrophilen kann jedoch zerstörerische Auswirkungen auf den Körper zur Folge haben. Ein zentraler Mechanismus, der die durch Neutrophile bedingte Immunanwort in Grenzen hält, ist der programmierte Zelltod, auch Apoptose genannt. In unserer Studie konnten wir einen Schrittmacher für Apoptose von Neutrophilen identifizieren. Überraschenderweise stellte sich auch heraus, dass die Lebenspanne von Neutrophilen an der Infektionsstelle anders reguliert wird als jene von nicht aktivierten Neutrophilen im Blutkreislauf. Wir wiesen nach, dass das Protein Tristetraprolin (TTP) einen Schalter für die Abschaltung von aktivierten Neutrophilen darstellt. TTP bindet und destabilisiert die mRNA für das anti-apoptotische Protein Mcl-1 und dadurch wird die Menge an Mcl-1 Protein in der Zelle reduziert. Durch die Destabilisierung der Mcl-1 mRNA verkürzt TTP die Lebensdauer von Neutrophilen und kontrolliert auf diese Weise die Zahl der Neutrophilen an der Infektionsstelle. Bei Fehlen von TTP wird die Lebensspanne von Neutrophilen verlängert: dies führt zur massiven Akkumulation von Neutrophilen an der Infektisonstelle. Es ist bemerkenswert, dass diese verstärkte Immunantwort bei Fehlen von TTP positive Auswirkungen auf die Abwehr gegen Infektion ein einem Model einer invasiven Infektion des Weichgewebes mit dem Bakterium Streptococcus pyogenes. Eine solche invasive Infektion ist bei Menschen lebensbedrohlich. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine medikamentöse Verlängerung der Lebensspanne von Neutrophilen, beispielswiese durch die Inhibition von TTP, eine mögliche Alternative zur Behandlung von Infektionen wäre, bei denen auf Grund von Resistenzen herkömmliche Therapien mit Antibiotika versagen.