Umweltchlamydien und Amöben als Modellsystem

Chlamydien sind bedeutende bakterielle Krankheitserreger von Mensch und Tier. Chlamydia trachomatis und Chlamydophila pneumoniae verursachen Infektionen der Harnwege und Geschlechtsorgane (C. trachomatis ist weltweit, auch in Industriestaaten, der häufigste Erreger von sexuell übertragenen Infektionen) und Bindehautentzündungen mit häufig folgender Erblindung (Trachom, weltweit etwa 5 Millionen Fälle) sowie atypische Lungenentzündungen (C. pneumoniae). Chlamydien sind obligat intrazellulär, also für ihre Vermehrung auf eine Wirtszelle höherer Organismen angewiesen. Sie zeichnen sich durch einen einzigartigen Entwicklungszyklus aus, der durch zwei in der Gestalt unterschiedliche Stadien, Retikular- und Elementarkörper, gekennzeichnet ist. Innerhalb des Bakterienreichs bilden Chlamydien eine sehr alte Entwicklungslinie, in die bis zu Beginn der 90er Jahre ausschließlich tier- und humanpathogene Arten der Familie Chlamydiaceae eingeordnet wurden. Dieses Bild hat sich in den letzten Jahren mit der Entdeckung bislang unbekannter Chlamydien-ähnlicher Bakterien drastisch verändert. Diese Bakterien sind nicht nur die engsten Verwandten der pathogenen Chlamydien, sie besitzen auch deren charakteristischen Entwicklungszyklus und vermehren sich in eukaryotischen Wirtszellen. Die neu entdeckten Chlamydien wurden unter dem Begriff "Umweltchlamydien" zusammengefasst. Umweltchlamydien sind weit verbreitet und konnten in unterschiedlichen Lebensräumen nachgewiesen werden. Ihr Wirtsspektrum reicht von Amöben über Gliederfüßer und Vögel bis hin zu Säugetieren, wobei die Mehrzahl aller bislang bekannten Umweltchlamydien als Symbionten frei lebender Amöben vorkommt oder sich zumindest in Amöben vermehren kann. Jüngst gelang unserer Arbeitsgruppe die Entschlüsselung des Erbguts eines Vertreters dieser symbiontischen Chlamydien. Dies erlaubte Rückschlüsse auf die Biologie und die genetische Ausstattung des letzten gemeinsamen Vorfahren der Umweltchlamydien und ihrer pathogenen Verwandten, der vor über 700 Millionen Jahren im Präkambrium gelebt haben dürfte. Der Chlamydien-Urahne war bereits auf eine tierische oder pflanzliche Wirtszelle, vermutlich ein urzeitlicher Einzeller, angewiesen. In diesem Zusammenspiel konnten lange vor der Entstehung der ersten Wirbeltiere Strategien entwickelt werden, die Chlamydien und anderen bakteriellen Krankheitserregern viele hundert Millionen Jahre später die Infektion von Mensch und Tier ermöglichten. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass Umweltchlamydien und Amöben ideale Modellsysteme zur Untersuchung der Evolution intrazellulärer Bakterien darstellen. Die Charakterisierung dieser Lebensgemeinschaft und der Interaktion zwischen Umweltchlamydien und ihren Wirtszellen ist deshalb Schwerpunkt dieses START Projekts. Mit Hilfe vergleichender Genomanalyse, biochemischen und genetischen Techniken, modernen Kultivierungsmethoden und neuartigen bildgebenden, mikroskopischen Verfahren soll die molekulare Basis dieser Interaktionen untersucht werden. Die geplanten Studien werden so zu einem besseren Verständnis der Biologie der Umweltchlamydien im Speziellen sowie der Entstehungsgeschichte intrazellulärer Bakterien und ihrer Anpassungen an das Leben innerhalb tierischer Wirtszellen im Allgemeinen beitragen und somit unter anderem auch neue therapeutische Ansatzpunkte aufzeigen.

Chlamydien sind Bakterien, die eukaryotische Zellen infizieren und sich ausschließlich in diesen vermehren können. Dazu zählen bedeutende Krankheitserreger von Mensch und Tier, wie Chlamydia trachomatis und Chlamydia pneumoniae, die vor über 100 Jahren entdeckt wurden. Erst vor kurzem wurden Chlamydien auch in der Umwelt gefunden, wo sie häufig mit Einzellern assoziiert sind. Ziel dieses Projekts war die Untersuchung dieser Umweltchlamydien und der Vergleich mit ihren humanpathogenen Verwandten mithilfe modernster Methoden der Molekularbiologie, der Genomik und der Evolutionsbiologie. In Rahmen des Projekts konnten wir zeigen, dass die Diversität der Chlamydien in der Umwelt die bekannte Diversität um Größenordnungen übersteigt. Der Großteil der bislang unentdeckten Chlamydien befindet sich in marinen Habitaten. Um diese verborgenen Umweltchlamydien experimentell zugänglich zu machen, haben wir neue Methoden zur Isolierung von Chlamydien aus komplexen Umweltproben entwickelt und diese erfolgreich eingesetzt. So gelang die Charakterisierung einer Reihe neuer, bislang unbekannter Chlamydien. Mittels Genomsequenzierung konnten wir erstmals einen umfassenden Überblick über die genetische Ausstattung der Umweltchlamydien gewinnen und so Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit ihren humanpathogenen Verwandten identifizieren. Anhand dieser Daten gelang es, die Evolutionsgeschichte der Chlamydien zu rekonstruieren. Wir konnten zeigen, dass Chlamydien vermutlich die älteste Bakteriengruppe bilden, die sich auf die Infektion eukaryotischer Wirtszellen spezialisiert hat. Unsere Untersuchungen lieferten zudem weitere Hinweise für eine aktuelle Theorie nach der Chlamydien entscheidend an der Entstehung von Algen und Pflanzen beteiligt waren. Zwei Aspekte dieses Projekts widersprechen bisher gängigen Lehrbuchmeinungen und lassen Chlamydien in einem völlig neuem Licht erscheinen. Wir konnten zeigen, dass Chlamydien auch außerhalb ihrer Wirtszellen einen aktiven Stoffwechsel aufweisen, und es gelang uns Peptidoglykan in der Zellwand von Chlamydien nachzuweisen, ein essentieller Baustein der Zellwand der meisten Bakterien, dessen Existenz bei Chlamydien jedoch Gegenstand jahrzehntelanger Diskussionen war. Diese neuen Erkenntnisse sind auch für die Chlamydien-Therapie relevant. Neue Erkenntnisse zur Anpassung der Chlamydien an ihre unterschiedlichen Wirtszellen brachten durch detaillierte Untersuchungen weiterer Komponenten der Chlamydienzellwand, wie bestimmter Außenmembran- und Transportproteine. Zusammengenommen tragen die Ergebnisse dieses Projekts wesentlich zu einem besseren Verständnis der Diversität, der Biologie, der Wirtsinteraktion sowie der Evolution der Chlamydien bei.