Eukaryotische Gene in Vakuolen-assoziierten Pathogenen und Symbiotnen (EUGENPATH)

Intrazelluläre Bakterien sind eine phylogenetisch diverse Gruppe an Mikroorganismen, die wichtige Krankheitserreger des Menschen umfasst. Einige dieser Bakterien können sowohl in Amöben überleben, die ihnen als Spielwiese der Evolution dienten, als auch innerhalb menschlicher Makrophagen. Dazu gehören der Erreger der Legionärskrankheit. Legionella pneumophila, der Erreger des Q-Fiebers, Coxiella burnetii, sowie zur Familie der Parachlamydiaceae gehörende Symbionten von Amöben, die mit Atemwegserkrankungen in Verbindung gebracht werden. Intrazelluläre Krankheitserreger und Symbionten stehen in engen, vielfältigen molekularen Wechselwirkungen mit ihren eukaryotischen Wirtszellen. Diese Interaktionen sind im Verlauf der Koevolution zwischen Bakterien und Wirtszellen entstanden. Dabei spielte die Integration eukaryotischer Gene in die Genome der Bakterien eine entscheidende Rolle. Diese, hier als EUGENs bezeichneten, bakteriellen Gene ermöglichen den gezielten Eingriff in Regulations- und Stoffwechselwege der Wirtszelle. Sie stellen ein Kennzeichen intrazellulärer Bakterien dar und sind kaum in frei-lebenden Bakterien zu finden. Obwohl entscheidend für den Erfolg intrazellulärer Krankheitserreger und Symbionten, sind die genauen Funktionen der meisten EUGENs und ihre Interaktionsmechanismen weitgehend unbekannt. Legionellen, Coxiellen und Parachlamydien kodieren für eine Reihe an EUGENs, die als sogenannte Effektoren über Typ-3 und Typ-4-Sekretionssysteme in die Wirtszelle injiziert werden. Im Rahmen dieses Projekts sollen konservierte EUGENs untersucht und ihre Funktion für Virulenz und Symbiose bei Legionellen, Coxiellen und Parachlamydien bestimmt werden. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf Wechselwirkungen mit dem Stoffwechsel der Wirtszelle und die Bedeutung für die Ökologie der Bakterien gelegt. Hierfür kommen modernste Methoden der Proteomik, der Transkriptomik, der Metabolomik, sowie innovative biochemische und genetische Ansätze zu Anwendung. Auf diese Weise werden wir neue Einblicke in evolutionär konservierte Mechanismen der Interaktion zwischen intrazellulären Bakterien und ihren Wirtszellen gewinnen. Wir werden die Verschränkung von Bakterien- und Wirtsmetabolismus besser verstehen, und Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen bakteriellen Krankheitserregern und Symbionten identifizieren. Daraus werden sich neue Angriffspunkte für anti-bakterielle Wirkstoffe, sowie potentielle Kandidaten für die Entwicklung neuer Impfstoffen ergeben.

Bakterien interagieren auf unterschiedliche Weise mit Tieren und Menschen, verursachen dabei Krankheiten (Krankheitserreger) oder bringen Nutzen (Symbionten). Die Mechanismen, die diese Wechselwirkungen vermitteln, sind oft wenig verstanden, verwenden aber häufig Genprodukte, die ursprünglich von ihren tierischen Partnern erworben wurden. Dieses Verbundprojekt, an dem sieben Partner aus vier europäischen Ländern beteiligt waren, zielte darauf ab, die Rolle dieser Gene in ausgewählten bakteriellen Krankheitserreger und Symbionten besser zu verstehen. Das österreichische Teilprojekt, geleitet von Matthias Horn am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien, untersuchte Bakterien, die sowohl Menschen als auch Einzeller (Protisten), wie Amöben, infizieren können. Die Wissenschaftler haben dabei neuartige molekulare Dolche entdeckt, die bakterielle Zell-Zell-Interaktionen vermittelt. Ihre Arbeit führte zu neuen Erkenntnissen über die Evolution und Regulation von bakteriellen Proteinen, die für die Invasion von tierischen und protistischen Zellen verwendet werden, und sie konnten zeigen, dass sich bakterielle Symbionten und Krankheitserreger gegenseitig stören, wenn sie die dieselbe Amöbenzelle infizieren, was schließlich zur Abtötung des Krankheitserregers führt. Im Mittelpunkt des Teilprojektes standen Legionella pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, und Chlamydien, die als Krankheitserreger bekannt, aber auch als Symbionten von Amöben in der Umwelt weit verbreitet sind. Das Forschungsteam fand heraus, dass Chlamydien die Vermehrung von L. pneumophila in Acanthamoeba castellanii wirksam hemmen und zu einer drastischen Reduzierung der Virulenz führen. Ihre Experimente zeigten unerwartete Wechselwirkungen menschlicher Krankheitserreger mit Umweltmikroben auf. Diese könnten einen möglichen Weg zur Kontrolle der Ausbreitung von L. pneumophila darstellen. Mit modernsten Ansätzen der Genomik, System- und Evolutionsbiologie untersuchten die Wissenschaftler zudem die Wirtsinteraktionsmechanismen der symbiontischen Chlamydien. In diesen Amöben-assoziierten Bakterien entdeckten sie bisher unerreicht große Gruppen an Genen (Genfamilien), die vermutlich dazu dienen Wirtszellen mit einer Armada von ursprünglich von Einzellernn stammenden Effektoren gleichzeitig zu manipulieren. Die Ergebnisse dieses Projekts haben dazu beigetragen, die molekularen Mechanismen von Mikroben bei der Infektion von tierischen Wirtszellen und Protisten besser zu verstehen. Sie liefern wichtige Puzzleteile bei der Suche nach neuen Strategien und molekularen Zielen für Impfstoffentwicklung und antibakterielle Therapie.