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Wie überleben Bakterien in einem Wirt? Das Geheimnis der Endozytose und der Sekretionsverfahren wird gelüftet!
In der mikroskopischen Welt sind die Interaktionen zwischen Bakterien und Wirten voller Komplexität und Herausforderungen. Um im Wirt zu überleben, sezernieren pathogene Bakterien eine Reihe von Proteinen, sogenannte „Effektorproteine“, hauptsächlich über drei verschiedene Sekretionssysteme: das Typ-III-Sekretionssystem (T3SS), das Typ-IV-Sekretionssystem (T4SS) und das Typ-VI-Sekretionssystem ( (T6SS). Diese Effektorproteine helfen Bakterien nicht nur dabei, in das Wirtsgewebe einzudringen, sondern unterdrücken auch die Immunreaktion des Wirts und leisten so die notwendige Unterstützung für das Überleben der Bakterien.
Einige Bakterien injizieren nur wenige Effektorproteine, während andere Dutzende oder sogar Hunderte injizieren.
Wenn beispielsweise das Pestbakterium wie Yersinia pestis sein T3SS verliert, ist seine Pathogenität vollständig eliminiert, selbst wenn es direkt in den Blutkreislauf gelangt. Bei diesem Prozess können gramnegative Mikroorganismen auch bakterielle Außenmembranvesikel nutzen, um Effektorproteine und pathogene Faktoren durch Membranvesikel-Transportwege zu transportieren und so die Umgebung zu verändern oder Zielzellen anzugreifen, beispielsweise an der Schnittstelle zwischen Wirt und Pathogen.
Vielfalt von Effektorproteinen
Von vielen pathogenen Bakterien ist bekannt, dass sie sezernierte Effektorproteine besitzen, bei den meisten Arten ist die genaue Zahl jedoch unbekannt. Bei der Sequenzierung des Genoms von Krankheitserregern können Effektorproteine auf Grundlage der Ähnlichkeit der Proteinsequenzen vorhergesagt werden. Allerdings sind solche Vorhersagen nicht immer genau. Darüber hinaus ist es ziemlich schwierig, experimentell nachzuweisen, ob die vorhergesagten Effektorproteine tatsächlich in die Wirtszellen sezerniert werden, da der Gehalt jedes Effektorproteins normalerweise sehr gering ist.
Tobe et al. (2006) prognostizierten beispielsweise mehr als 60 Effektorproteine für pathogene E. coli, konnten jedoch nachweisen, dass nur 39 davon in menschliche Caco-2-Zellen sezerniert werden konnten.
Sogar innerhalb der gleichen Bakterienart verfügen verschiedene Stämme oft über unterschiedliche Repertoires an Effektorproteinen. Beispielsweise wurden in einem Stamm des pflanzenpathogenen Bakteriums Pseudomonas syringae 14 Effektorproteine gefunden, in mehreren verschiedenen Stämmen jedoch mehr als 150 Effektorproteine.
Wirkmechanismus
Aufgrund der Vielfalt der Effektorproteine haben sie unterschiedliche Auswirkungen auf verschiedene Prozesse innerhalb der Zellen. T3SS-Effektorproteine einiger pathogener E. coli-, Shigella-, Salmonella- und Yersinia-Stämme können die Dynamik des Zytoskeletts regulieren, die Anhaftung oder Invasion von Bakterien unterstützen, Phagozytose verhindern, apoptotische Wege modulieren und die Immunreaktionen des Wirts manipulieren.
Phagozyten erkennen und „fressen“ beispielsweise Bakterien, doch Yersinia hemmt die Phagozytose, indem es Effektorproteine transportiert, die den Aufbau des Zytoskeletts hemmen.
Während der Endozytose dringen einige Bakterien, beispielsweise Salmonellen und Shigellen, in die Wirtszellen ein und überleben dort. Salmonellen manipulieren den endosomal-lysosomalen Weg, um eine Vakuolenhöhle, eine sogenannte Salmonellen-haltige Vakuole (SCV), zu erzeugen, die für ihr Überleben im Inneren unerlässlich ist. Wenn SCVs reifen, wandern sie zum Mikrotubuli-Organisationszentrum (MTOC) und erzeugen Salmonellen-initiierte Filamente (Sif), die von den T3SS-Effektorproteinen SseF und SseG abhängig sind. Im Gegensatz dazu löst Shigella seine Vakuolen durch die Wirkung der T3SS-Effektorproteine IpaB und C schnell auf.
Immunflucht
Viele pathogene Bakterien haben außerdem Mechanismen entwickelt, um der Immunreaktion ihres Wirts zu entgehen. Am Beispiel von EPEC/EHEC kann das Effektorprotein EspG die Ausschüttung von Interleukin-8 (IL-8) verringern und dadurch das Immunsystem des Wirts beeinträchtigen. EspG fungiert als Rab-GTPase-aktivierendes Protein (Rab-GAP), das bewirkt, dass Rab-GTPasen in einen inaktiven, GDP-gebundenen Zustand fallen und dadurch der Prozess des ER-Homoglia-Transports reduziert wird.
Darüber hinaus besitzen pathogene Bakterien auch die Fähigkeit, die Apoptose unserer Wirtszellen zu verhindern und so ihren Lebensbereich aufrechtzuerhalten.
Beispielsweise verhindern die EPEC/EHEC-Effektorproteine NleH und NleF die Apoptose, und die Shigella-Effektorproteine IpgD und OspG verhindern die Apoptose durch Phosphorylierung und Stabilisierung des MDM2-Proteins. Salmonellen hemmen die Apoptose der Wirtszelle und aktivieren Überlebenssignale, indem sie sich auf die Effektorproteine AvrA und SopB verlassen.
Effekte der Immunantwort
Menschliche Zellen sind in der Lage, pathogenassoziierte molekulare Muster (PAMPs) zu erkennen. Wenn Bakterien an diese Rezeptoren binden, werden Signalübertragungswege wie NF-kB- und MAPK-Wege aktiviert, was zur Freisetzung von Zytokinen und Proteinen führt, die regulieren Immunreaktionen. Faktor. Viele bakterielle Effektorproteine beeinflussen die NF-kB-Signalisierung. Beispielsweise sind die EPEC/EHEC-Effektorproteine NleE, NleB, NleC, NleH und Tir immunsuppressive Effektorproteine, die hauptsächlich auf Proteine im NF-kB-Signalweg abzielen.
Es wurde gezeigt, dass NleC das NF-kB p65-Paar spaltet und dadurch die IL-8-Produktion hemmt.
Mit der Vertiefung der Forschung zu bakteriellen Effektorproteinen haben Wissenschaftler auch viele relevante Datenbanken und Online-Ressourcen vorgeschlagen, um die Vorhersage und Funktionsanalyse bakterieller Effektorproteine zu unterstützen.
Während diese mikroskopischen Prozesse nach und nach aufgedeckt werden, können wir nicht anders, als uns zu fragen: Wie können wir Menschen in diesem langfristigen Spiel zwischen Wirt und Krankheitserreger unsere Abwehrmechanismen weiter verbessern, um mit möglichen zukünftigen Herausforderungen durch Krankheitserreger fertig zu werden?
