Tannerella S-Schicht Glykobiologie für Wirkstoffentwicklung

Tannerella forsythia (Tf) ist ein Gram-negativer, filamentöser, anaerober, parodontalpathogener Organsimus. Parodontitis ist eine der häufigsten Entzündungserkrankungen bei Erwachsenen, und in ihrer chronischen Form eine wesentliche Ursache für Zahnausfall. Eine Infektion mit Tf kann auch Langzeitfolgen für die systemische Gesundheit haben, wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Arteriosklerose. Es besteht ein dementsprechend großes biomedizinisches Interesse, das Wechselspiel zwischen dem Bakterium und seinem Wirt zu verstehen, denn dieses bildet die Grundlage für Gesundheit, Krankheit und Heilung. Grundlage für das Verständnis der Pathogenese bei einer Tf Infektion sind die Identifizierung und Charakterisierung der Virulenzfaktoren, die in die einzelnen Stufen der Krankheitsentstehung involviert sind. Ersten Ergebnissen zufolge ist die äußerste, kristalline Zelloberflächenschicht (S-Schicht) von Tf ein potentieller Virulenzfaktor, denn die S-Schicht kann Hämagglutination sowie die Adhäsion/Invasion von Epithelzellen vermitteln. Im geplanten Projekt soll dieser Aspekt vor dem erst kürzlich erhobenen Befund, daß diese S-Schicht glykosyliert ist, beleuchtet werden. Denn Studien über die Pathogenese von bakteriellen Krankheiten haben gezeigt, daß glykosylierte Zelloberflächenmoleküle entscheidend für die Ahdäsion von Bakterien an spezifische Gewebe und die Auslösung einer Wirtsimmunantwort sein können. Die biomedizinische Forschung der letzten Jahre hat ergeben, daß speziell Kohlenhydrate ein enormes Potential als Zielstrukturen für die Wirkstoffentwicklung darstellen. Als erster Schritt zum Verständnis der Rolle der S-Schicht Glykoproteine beim Bakterium-Wirt Wechselspiel soll im geplanten Vorhaben die Glykobiologie der S-Schicht untersucht werden. Dies ist besonders interessant, als Tf das bisher einzige bekannte Gran-negative Bakterium ist, das eine glykosylierte S-Schicht besitzt, die zudem auch eine einzigartige Struktur ausweisen dürfte, denn sie ist aus unterschiedlichen Glykoproteinen aufgebaut. Wir postulieren, daß die Glykanketten an der S-Schicht, als erste Strukturen an der Zelloberfläche, mit denen der Wirt in Kontakt kommt, an der Vermittlung der Virulenz von Tf beteiligt sind. Zur Charakterisierung der S-Schicht Glykobiologie von Tf und zur Testung unserer Hypothese, beinhalten unsere Forschungsziele: A) Ermittlung der genauen Zusammensetzung des S-Schicht Glykoproteingitters von Tf, B) Identifizeriung des Bindungsmechanismus der S-Schicht an die Zellwand, C) detaillierte Analyse des Glykosylierungsmusters der S- Schicht und Ermittlung der dahinter stehenden Glykosylierungsmaschinerie auf molekularer Ebene, und D) Durchführung erster Zellkultur-Versuche zur Bestimmung des Beitrags der S-Schicht Glykosylierung zur Virulenz. Studien zur Glykobiologie der Tf S-Schicht können neue Strategien zur Pathogenitätsbildung bei Gram-negativen Organismen ans Tageslicht bringen, die wiederum neue Angriffspunkte zur Pathogenitätsabwehr darstellen können. Wenn die Ergebnisse aus der Tf S-Schicht Glykobiologie auch noch im Bereich der Grundlagenforschung anzusiedeln ist, so könnten die Erkenntnisse bei entsprechender Umsetzung in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Prävention von Parodontitis leisten.

Periodontitis ist eine multifaktorielle bakterielle Entzündung des Zahnfleisches, von der Millionen Menschen weltweit betroffen sind. In chronischer Form ist Periodontitis die Hauptursache für Zahnausfall und beeinflusst außerdem die systemische Gesundheit. Obwohl bestimmte Bakterien als Auslöser von Periodontitis identifiziert wurden, ist der Verlauf der Erkrankung noch weitgehend unverstanden. Bezugnehmend auf das Wissen, dass Kohlenhydrate als häufige Dekoration von Bakterienzellen entscheidend für deren physiologische Eigenschaften sind, und demnach Zielstrukturen für die Wirkstoffentwicklung darstellen, ist das Ziel dieses Projektes die Aufklärung der Zelloberflächen-Glykobiologie des periodontal-pathogenen Bakteriums Tannerella forsythia. Ausgangspunkt für das Design des Projekts war die Beschreibung, dass T. forsythia von einer 2D kristallinen Proteinhülle (S-Schicht) umgeben ist, und dass diese mit Kohlenhydraten modifiziert sein könnte. Die dem Projekt zu Grunde liegende Hypothese besagt, dass die Kohlenhydrate der S-Schicht als unmittelbare Kontaktstrukturen von T. forsythia mit seiner Umgebung zur Pathogenitätsbildung beitragen, indem sie für den bakteriellen Lebensstil - wie Besiedlung der Mundhöhle und Biofilmbildung - sowie für Pathogen-Wirts-Interaktionen entscheidend sind. Die wesentlichen Ergebnisse aus diesem Projekt sind: (i) Der Nachweis, dass die S-Schicht von T. forsythia ein Virulenzfaktor ist, der die Erkennung des Bakteriums durch das angeborene Immunsystem verzögert. (ii) Die mikroskopische Analyse der einzigartigen, 22 Nanometer dicken, S-Schicht Ultrastruktur von T. forsythia aus zwei interkalierenden Glykoproteinen. (iii) Detaillierte Analyse der Glykosylierung der S-Schicht und Identifizierung eines generellen Protein-O-Glykosylierungssystems in T. forsythia, das dem diversen Glykoproteom des Bakteriums zu Grunde liegt, und eindeutige Hinweise auf seine Bedeutung für die Pathogenität. (iv) Postulat eines Phylum-weiten Protein-O-Glykosylierungsystems mit Nachweis der Austauschbarkeit von Glykosylierungsmodulen zwischen T. forsythia und verwandten Bakterien als Basis zur zukünftigen Ermittlung von Glykanstruktur-Funktionsbeziehungen. (v) Bestimmung eines neuartigen, kurzkettigen Lipopolysaccharids in T. forsythia, das humane Immunzellen nur in Gegenwart von Serum-Cofaktoren zur Produktion von Entzündungsmediatoren anregt, wodurch es sich von Lipopolysacchariden anderer Periodontitis-Erreger unterschiedet.Periodontitis ist ein kritischer Gesundheitsaspekt dessen Erforschung weiterhin gefragt ist. Dieses Projekt hat gezeigt, dass das Verständnis der Glykobiologie von oralen Bakterien zum besseren Verständnis der Pathogenese von Periodontitis beiträgt und in Zukunft Zielstrukturen für die Diagnostik und neue Therapeutika aufzeigen kann. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt gehen über den Grundlagenforschungsbereich hinaus und können wegweisend für Ansätze zur Gesundheitsvorsorge und Prävention von Periodontitis sein.