Protein O-Glykosylierung in Tannerella und Pathogenität

Das anaerobe, orale, Biofilm bildende Pathogen Tannerella forsythia (Tf) ist ein wichtiger Parodontose-Erreger. Auf Grund ihrer vermehrten Entdeckung in pathogenen Bakterien besteht derzeit großes Interesse an der Erforschung von Glykosylierungssystemen; speziell Kohlenhydrate in der Zellhülle sind für das Wechselspiel von Pathogenen und Wirt entscheidend. Für das Verständnis von Virulenzmechanismen und der darauf basierenden Entwicklung therapeutischer Ansätze ist demzufolge das molekulare Verständnis der Oberflächenkohlenhydrate von Pathogenen Voraussetzung. Obwohl die Genomsequenz von Tf verfügbar ist, ist nur wenig über die Zellbiologie und Glykobiologie dieses Pathogens bekannt. Tf ist das einzige bekannte Gram-negative Bakterium, dessen äußerste Zellhülle aus einer 2D kristallinen Anordnung von Glykoproteinen gebildet wird. Diese sogenannte S-Schicht ist ein Virulenzfaktor von Tf und trägt dazu bei, die Wirtsimmunabwehr zu verzögern. Die Einzigartigkeit der Zellhülle von Tf wird durch seine Glykobiologie bestimmt (laufendes FWF-Projekt). Die S-Schicht von Tf wird durch Co-Assembly von zwei unterschiedlichen Glykoproteinen gebildet, die mehrfach mit identen, komplexen O-Glykan modifiziert sind. Ein neuartiges raues LPS verankert die S-Schicht in der äußeren Membran, in die weitere antigene, hochmolekulare Glykoproteine eingelagert sind. Einige von ihnen werden, genauso wir die S-Schichtglykoproteine, vermehrt während des Biofilmwachstums von Tf gebildet. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, auf molekularer Ebene Einsicht in das O-Glykosylierungssystem von Tf zu bekommen. Entscheidend ist die kürzliche Entdeckung, dass mehrere Tf Proteine mit dem "S-Schichtglykan" modifiziert sind. Unsere Hypothese besagt, dass eine Vielzahl von Proteinen auf das S-Schicht- Glykosylierungssystem zugreift, weshalb es als generelles Glykosylierungssystem von entsprechend hoher Relevanz für das Bakterium angesehen werden kann. Das Vorhandensein einer terminalen, modifizierten Pseudaminsäure im S-Schichtglykan legt nahe, dass das Glykan neben seinem nachgewiesenen Einfluss auf die Biofilmbildung, eine entscheidende Funktion bei der Pathogenitätsbildung und folglich auch bei der Entstehung von Parodontose hat. Zur Erforschung des Tf O-Glykosylierungssystemes und seines Beitrags zur Pathogenitätsbildung beinhalten unsere Forschungsziele: A) Molekulare Charakterisierung von Schlüsselmodulen des S-Schicht- Glykosylierungssystems; B) Untersuchung des Einflusses der Oberflächenglykosylierung auf die Immunantwort; C) Präzisierung des Bezugs zwischen Oberflächenglykosylierung und Biofilmbildung von Tf, wofür Mutanten mit definierten Defekten in ausgewählten Genen des Glykosylierungssystems herangezogen werden. Die molekulare Charakterisierung des generellen O-Glykosylierungssystems und die Untersuchung seines Einflusses auf die Physiologie von Tf können zum Verständnis bisher unbekannter Strategien zur Pathogenitätsbildung Gram-negativer Bakterien beitragen. Daraus können sich neue Ansatzpunkte sowohl für die Pathogenabwehr und somit für die Verhinderung von Parodontose als auch für die Entwicklung neuer Diagnosemöglichkeiten ergeben.

Untersuchungen zur Entstehung bakterieller Infektionskrankheiten sind von großem medizinischem Interesse. Basierend auf ihrem molekularen Verständnis wird es möglich sein, neue Strategien zur Kontrolle oder Behandlung von Infektionskrankheiten zu entwickeln. Periodontitis ist nach wie vor die weltweit häufigste Entzündungserkrankung bakteriellen Ursprungs. In chronischer Form ist sie die Hauptursache für Zahnausfall und beeinflusst außerdem die systemische Gesundheit. Obwohl bestimmte Bakterien als Auslöser von Periodontitis identifiziert wurden, ist der Verlauf der Erkrankung weitgehend unverstanden. Es ist bekannt, dass Tannerella forsythia, ein im Zahnplaque lebendes Bakterium, entscheidend zur Entstehung von Periodontitis beiträgt. Wir haben gezeigt, dass dieses Bakterium an seiner Oberfläche tausende Kopien eines einzigartigen Dekasaccharids trägt, wobei die Proteine, an die es gebunden ist, Virulenzfaktoren sind. Von besonderem Interesse ist, dass die Zuckerstruktur mit einer Nonulosonsäure modifiziert ist, für die auf Grund ihrer Ähnlichkeit mit Sialinsäuren diverse biologische Funktionen postuliert werden können.Da Zuckerstrukturen ideale Zielstrukturen für die Wirkstoffentwicklung darstellen, war das Ziel dieses Projekts, einen Einblick in die Synthese des Dekasaccharids zu erhalten, seine Konservierung in klinischen T. forsythia Isolaten zu untersuchen, sowie seinen Einfluss auf die Immunogenität des Bakteriums zu beleuchten. Die wesentlichen Ergebnisse aus diesem Projekt sind: (i) Aufklärung der falschen Genom-Zuordnung des Typenstamms von T. forsythia und dessen Sequenzierung. (ii) Nachweis eines 27-kb Genclusters für die Dekasaccharid-Synthese am Genom von T. forsythia. (iii) Bioinformatische Identifizierung dieses Genclusters bei allen sequenzierten T. forsythia Stämmen, nicht aber bei einem Isolat aus einem gesunden Patienten. (iv) Charakterisierung von Schlüsselenzymen für den stufenweisen Aufbau des Dekasaccharids mit Fokus auf den Nonulosonsäuren. (v) Beschreibung eines neuen Sekretionssystems für Glykoproteine in T. forsythia. (vi) Entdeckung, dass T. forsythia Vesikel von seiner äußeren Membran abschnürt, die proinflammatorisches Cargo beinhalten. (vii) Identifizierung einer neuen Fukosidase, die im Peridontium Nährstoffe für das Bakterium freisetzt. (viii) Erweiterung des glykobiologischen Verständnisses der Zellwand von T. forsythia durch die Isolierung neuer Glykolipide. Nachweis, dass das Dekasaccharid (iix) die Effektorfunktionen von Immunzellen moduliert sowie (ix) die Biofilmbildung von T. forsythia beeinflusst.Dieses Projekt hat bewiesen, dass das Zelloberflächen-Dekasaccharid an der Pathogenitätsbildung von T. forsythia beteiligt ist sowie eine Signatur für Periodontitis-assoziierte T. forsythia Stämme darstellt. Dieses Projekt hat eine Zielstruktur für Diagnostik und Therapie aufgezeigt. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt gehen über den Grundlagenforschungsbereich hinaus und könnten wegweisend für Ansätze zur Prävention von und Behandlung von Periodontitis sein.