Unser Darm ist besiedelt von unzähligen Bakterien – was unterscheidet pathogene Bakterien von den normalen Besiedlern des Darms? Welche Mechanismen und Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Darmzellen machen Krankheitserregern eine Infektion möglich? Lesen Sie mehr...

Um hinter die Mechanismen von Bakterien-Infektionen im Darm zu kommen, arbeiten wir am Institut für Infektiologie vor allem mit enteropathogenen Yersinien.

Die Wissenschaftler des Instituts stellen sich folgende Fragen:

-    Wie gelingt pathogenen Mikroben das Anhaften und Eindringen in Wirtszellen und wie breiten sie sich im Wirtsgewebe aus? Welche Bakterien- und Wirtsfaktoren sind daran beteiligt?
-    Wann, wo und durch welche regulatorischen Mechanismen wird die Synthese der bakteriellen Virulenzfaktoren beim Infektionsprozess induziert?
-    Wie adaptieren sich diese Krankheitserreger an den Wirt während unterschiedlicher Infektionsstadien (akut - persistent)?
-    Wie reagiert der Wirt, um die Infektion abzuwehren und welche Strategien haben die Bakterien entwickelt, um dies zu verhindern?
-    Wie können wir identifizierte bakterielle Faktoren für therapeutische Zwecke, z.B. ‚Drug-Delivery‘ nutzen. 

Um diese Fragen beantworten zu können, erforschen wir die Struktur und Funktion von Virulenzfaktoren, die am Eintritt und der Ausbreitung der Bakterien beteiligt sind. Wir charakterisieren die Wege und Signale in der Wirtzelle und die Immunabwehr des Wirts, wenn Yersinien angreifen und untersuchen die Regulationsmechanismen hinter den Veränderungen in der Genexpression beim Krankheitserreger und dem Wirt.

Stichworte: Gastrointestinale Infektionen, Pathogen-Wirt-Interaktionen, Bakterien-induzierte Signaltransduktionswege und Immunreaktionen, bakterielle Toxine und Effektoren, Virulenzgenregulation, Enterobacteriaceaen, regulatorische und sensorische RNAs, kleine Virulenz-assoziierte Proteine, wirtsadaptierten Stoffwechsel.

Techniken: RNA-Sequenzierung, RNA-Technologien (in vitro Transkription, RIP/CLIP-Seq, Ribo-Seq), konfokale Fluoreszenzmikroskopie, in vivo imaging, single cell imaging, Elektronenmikroskopie, FACS/Flow Cytometrie, Zellinfek-tionsmodelle, orale Mausinfektionsmodelle, Proteinreinigung und -analyse. 

Spezifische Forschungsprojekte - Wie Bakterien Zellbarrieren überqueren und sich im Wirt einnisten

1.) Identifikation und Charakterisierung von bakteriellen Zellinvasions- und Exitstrategien


Wir analysieren, wie sich diese Bakterien an die Oberfläche des Darmepithels anheften und in Zellen der Epithelschicht einwandern. Dabei verwenden sie zu unterschiedlichen Zeiten in verschiedenen Darmabschnitten verschiedene Aufnahmestrategien.
Das Eindringen der Bakterien in die Darmepithelzellen löst eine ganze Kaskade von Reaktionen aus, die zu Umlagerungen des Aktinzytoskelett führen und die Bakterien in membranumhüllte Vakuolen (Phagosomen) aufnehmen. Aus diesen befreien sie sich beim Austritt aus den Zellen, z. B. bei der Durchquerung des Darmepithels wieder. Wie ist jedoch unklar. Dies herauszufinden ist Ziel unserer aktuellen Forschung.

 

2.) Rolle von sekretierten Toxinen und Typ III Sekretionssystemen und der injizierten Effektor-Proteine während der Infektion

Ziel unserer Arbeit ist es, akute und persistierende Infektionen durch Yersinien auf molekularer, zellulärer und organismischer Ebene zu untersuchen. Unser Augenmerk gilt dabei den durch sogenannte Typ III Sekretionssystem (Ysc-T3SS) bevorzugt in Neutrophile und Makrophagen injizierten Effektor-Proteinen, den Yops.

Die Yop Effektor-proteine verändern gezielt Wege der Signalübertragung, wodurch sie die Eliminierung der Bakterien durch die Immunzellen verhindern und damit das Überdauern von Bakterien im Wirt begünstigen.

Die Translokation der Effektoren mittels des T3SS wird durch das Toxin CNFY verstärkt, das direkt oder mittels Außenmembranvesikeln sekretiert wird und die Rho-GTPasen der Immunzellen konstitutiv aktiviert. Dies führt zur Multinuklearisierung der Zellen und zur Ausbildung von Lamellipodien und Stressfibern.

Die Sekretion von CNFY durch die Yersinien induziert eine starke inflammatorische Antwort und große Läsionen im lymphatischen Gewebe. Die CNFY-induzierten molekularen und zellulären Prozesse, die dazu beitragen und wie diese CNFY aktiviert werden, sind bisher unbekannt und sind Teil unserer Untersuchungen.

 

3. Reprogrammierung der Yersinien während der Infektion, Adaptation an Wirtsnischen

Yersinien durchlaufen mehrere Infektionsphasen: Initiale Phase (Kolonisation) - akute Infektion (Wirtsabwehr) - persistente Infektionsphase (Immunevasion). Wir erforschen welche Pathogenitätsfaktoren und Virulenz-assoziierte Prozesse in der jeweiligen Phase von Bedeutung sind. Dabei interessiert uns, wie sie sich von der Kolonisationsphase zu Beginn der Infektion bei Durchtritt der Darmepithelschicht auf die dann erfolgende Immunabwehr reagieren und trotz des Angriffs sich effizient im Darm-assoziierten Gewebe vermehren können und zur Ausbildung der Krankheitssymptome beitragen.

Zudem wollen wir verstehen, wann und wie sich die Bakterien von der akuten Phase in die persistierende Phase übergehen. Welche Adaptations- und Immunevasionsstrategien sind dafür notwendig und wie verändert sich dabei die Antwort des Wirtes.

 

 

4. Nutzung bakterieller Faktoren für therapeutische Zwecke (Drug Delivery Strategien)


Wir untersuchen bakterielle Faktoren (Invasionsfaktoren, Toxine und Effektorproteine mit ‚self-penetrating peptides‘) und testen ihre Nutzbarkeit als potenzielle Drug-Delivery Tools. Dabei verwenden wir z.B. das CNFY Toxin und fusionieren Reporterproteine wie die ß-Lactamase an das Toxin bzw. Toxindomänen und untersuchen die Effizienz der Aufnahme und Export aus den Endosomen in das Cytosol der Zelle.

Spezifische Forschungsprojekte - Wie Bakterien die Expression ihrer Virulenz-relevanten Werkzeuge und Infektionsstrategien kontrollieren

Die Adaptation der Bakterien an unterschiedliche Bedingungen in den besiedelten Nischen erfolgt mittels komplexer Regelmechanismen, die wir verstehen wollen und auf molekularer Ebene aufklären.

1. Umwelt- und Zellkontakt vermittelte Induktion der Typ III Sekretionssysteme

Viele wichtige Virulenzfaktoren von Yersinia, darunter auch das CNFY Toxin und die Sekretionssysteme, werden durch den Temperaturwechsel, den die Bakterien beim Eintritt aus der Umwelt in den Wirt wahrnehmen und durch den Wirtszellkontakt induziert. Wie die Bakterien den Zellkontakt wahrnehmen und welche regulatorischen Faktoren daran beteiligt sind und wie sie zusammenspielen ist Thema unserer Untersuchungen.

 

 

2. RNA- und kleine Protein-basierte Kontrollmechanismen

Mittels moderner RNA-Seq Technologien (differential RNA-seq, tissue dual RNA-seq, CLIP-Seq, RNA structurome) identifizieren wir regulatorische und sensorische RNAs (RNA Thermometer) aus Bakterien im infizierten Geweben im Mausmodell, die an der Regulation von Virulenzmechanismen beteiligt sind und klären ihren molekulare Funktionsweise auf. Dabei untersuchen wir auch die Beteiligung von RNA-bindender regulatorischen Proteine und RNasen, die bei der Kontrolle der Virulenzgene von Bedeutung sind. Dabei steht vor allem die temporale-örtliche Kontrolle der Genexpression durch die RNA Regulatoren in den verschiedenen besiedelten Gewebsnischen und unterschiedlichen Phasen der Infektion im Vordergrund.
In einem anderen Ansatz charakterisieren wir kleine Proteine die wir mittels ‚ribosome profiling‘ (Ribo-Seq) und in kleinen RNAs identifiziert haben und studieren ihre Beteiligung an der Virulenz.

 

 

3. Bistable/heterogene Genexpression von Virulenz-relevanten Faktoren

Die Expression vieler Virulenzfaktoren von genetisch identischen Bakterien im Gewebe ist oft nicht homogen, sondern sehr variable/heterogen bzw. bistabil (AN oder AUS). Mittels ‘single-cell imaging’ Methoden untersuchen wir mit fluoreszenzmarkierten Bakterien und Reporter-Fusionen die Expression von bedeutenden Virulenzgenen in infizierten Zellen und Geweben, klären die molekulare Ursache für die heterogene Expression auf und untersuchen die Bedeutung von heterogenen/bistabilen Systemen für die Pathogenität der Bakterien.