Analyse der Virulenzmechanismen von Campylobacter fetus

Das Gram-negative Bakterium Campylobacter fetus ist ein veterinärmedizinisch bedeutendes Pathogen, welches vor allem in der Rinderzucht durch das Verursachen epidemischer Aborte und Unfruchtbarkeit beträchtliche wirtschaftliche Schäden verursacht. Weiters ist es ein humanmedizinisch signifikanter Sepsiserreger, welcher besonders immunsupprimierte Patienten gefährdet. Bisher ist über die Virulenzmechanismen dieses Erregers, seine Infektionsstrategien und seine Interaktion mit Wirtszellen wenig bekannt. C. fetus wird durch zwei Subspecies repräsentiert, C. fetus subsp. fetus und C. fetus subsp. venerealis, welche sich genetisch nur geringfügig unterscheiden, andererseits aber eine äußerst unterschiedliche Wirtsspezifität besitzen. Daher stellt C. fetus ein exzellentes Model zur Erforschung der molekularen Determinanten von Wirtsspezifität und der Interaktion des Bakteriums mit seinen Wirtszellen dar. In einem Genomvergleich identifizierten wir Subspecies-spezifische genetische Elemente die mit großer Wahrscheinlichkeit Virulenzfaktoren darstellen. Darunter einen Typ IV Transportsystem (type IV secretion system) welcher typischerweise von Bakterien zum Export von Virulenzfaktoren (z. B. Toxine) in die Wirtszelle verwendet wird. Weiters ein Enzym welches für die Lipopolysaccharidbiosynthese verantwortlich ist und damit direkt die Eigenschaften der bakteriellen Zellwand beeinflusst. Unser Forschungsvorhaben untersucht die Beteiligung Subspezies-spezifischer Gene zum Wirtstropismus und zur Pathogenität von C. fetus. Es ist notwendig eine genaue Kenntnis des natürlichen Bildes einer C. fetus Infektion zu bekommen. Zu diesem Zweck werden histopathologische Untersuchungen von infiziertem Gewebe aus der Veterinärmedizin durchgeführt. Weiters wird mittels hochauflösender mikroskopischer Verfahren (Elektronenmikroskopie, Konfokale Laser-Scanning Mikroskopie) die Bakterien-Wirtszellinteraktion visualisiert. Mit dieser Information werden Zellkultur-basierte in-vitro-Infektionsmodelle entwickelt um die Beteiligung der Virulenzgene an spezifischen Phasen des Infektionsgeschehens wie zelluläre Adhärenz, Wirtszellinvasion aber auch die Reaktion der infizierten Zelle (z. B. Chemokinsekretion) zu untersuchen. Dazu werden mittels von uns entwickelter Verfahren diese Virulenzgene genetisch inaktiviert und in den in-vitro- Infektionsmodellen getestet. Diese Studie wird detaillierte Einsichten in die Funktion der Virulenzgene und ihren Beitrag zum Wirtstropismus von C. fetus liefern und damit die molekulare Basis der C. fetus Pathogenität besser definieren.

Campylobacter fetus ist ein bakterielles, Gram-negatives Pathogen, welches durch seine spiralförmige Struktur, seine Motilität und seinen mikroaerophilen Lebensstil (d.h. es kann unter Sauerstoff-reduzierten Bedingungen leben) hochspezialisiert ist, Schleimhäute (z.B. den Gastrointestinal- oder Genitaltrakt) von Mensch und Tieren zu kolonisieren. C. fetus zeigt diesbezüglich ein interessantes Phänomen, indem eine Untergruppe (Subspezies) von Bakterien, C. fetus subsp. fetus, verschiedene Wirte infizieren kann (z.B. Schafe, Rinder und Menschen aber auch Reptilien) und bevorzugt den Gastrointestinaltrakt kolonisiert. Beim Menschen führen C. fetus subsp. fetus Infektionen oftmals zu rezidivierenden Septikämien (bakterielle Blutvergiftungen). Dahingegen infiziert die zweite Untergruppe, C. fetus subsp. venerealis, ausschließlich den Genitaltrakt von Rindern und verursacht eine epidemisch verlaufende Krankheit, welche zu Aborten und Unfruchtbarkeit bei Rindern führt (Bovine Venereale Campylobacteriose, BVC). Besonders in Ländern mit extensiver Rinderzucht (z.B. Argentinien, Australien) stellt die BVC ein veterinärmedizinisch bedeutendes Problem dar. Diese natürlich vorkommenden Subspecies von C. fetus stellen ein ideales Modell dar, anhand von genetischen Vergleichen (vergleichende Genomik) die molekularen Ursachen der unterschiedlichen bakteriellen Virulenz und Wirtsspezifität dieser Pathogene zu erörtern. Unsere Analysen ergaben, dass die Genome beider Subspecies über weite Strecken (zu 93%) ident sind, die Unterschiede aber in sog. genomischen Inseln (genetic islands) zu finden sind. Diese Inseln wurden über horizontalen Gentransfer (d.h. von anderen Bakterien) auf C. fetus übertragen und sie kodieren für verschiedene Virulenzfaktoren. So konnten wir zum Beispiel zeigen, dass ein bakterieller Sekretionsapparat (sog. Typ 4 Sekretionssystem) auf diesen Pathogenitätsinseln für die Zytotoxizität und Zellinvasion von C. fetus subsp. venerealis verantwortlich ist. Ein weiterer Virulenzfaktor kodiert für ein Enzym (GDP- Mannose 4,6-Dehydratase) welches am Aufbau der Oberflächenzucker (LPS) von C. fetus subsp. fetus beteiligt ist und bewirkt die Resistenz des Bakteriums gegenüber Magensäure, um nach einer oralen Aufnahme den Gastrointestinaltrakt kolonisieren zu können. Ein verwandtes, am LPS Aufbau beteiligtes Enzym (UDP-Galactopyranose Mutase) hilft dem Bakterium den bakteriziden Eigenschaften des Blutes (bei einer Septikämie) entgegenzuwirken. Die von uns identifizierten und charakterisierten Virulenzfaktoren ergeben erstmals einen Einblick in die Virulenz von C. fetus und stellen weiters nützliche Kandidaten zur Keimidentifikation (z.B. über den Nachweis über Polymerase-Kettenreaktion) und der Entwicklung für Vakzine dar.