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Die Geheimwaffe der Bakterien: Wie steuern Effektorproteine Wirtszellen?
Mit der Weiterentwicklung der Bakteriologie und Molekularbiologie haben Wissenschaftler nach und nach das Geheimnis der bakteriellen Effektoren gelüftet. Diese Effektorproteine sind die „Geheimwaffen“, die pathogene Bakterien über das Sekretionssystem an Wirtszellen abgeben, und sie spielen eine entscheidende Rolle im bakteriellen Infektionsprozess.
Effektorproteine helfen Krankheitserregern in der Regel dabei, in Wirtsgewebe einzudringen, das Immunsystem zu unterdrücken oder die Überlebensfähigkeit des Krankheitserregers zu erhöhen.
Viele pathogene Bakterien sind in der Lage, Effektorproteine abzusondern, die genauen Mengen sind jedoch für die meisten Arten unbekannt. Bei der Sequenzierung von Krankheitserregergenomen können Effektorproteine anhand von Proteinsequenzähnlichkeiten vorhergesagt werden, diese Vorhersagen sind jedoch nicht immer genau. Noch wichtiger ist, dass es aufgrund der vernachlässigbaren Menge jedes Effektorproteins sehr schwierig ist, experimentell zu beweisen, dass ein vorhergesagtes Effektorprotein tatsächlich in die Wirtszelle sezerniert wird.
Nehmen Sie als Beispiel den pathogenen E. coli. Untersuchungen zeigen, dass das Bakterium möglicherweise über mehr als 60 Effektorproteine verfügt, es wurde jedoch bestätigt, dass nur 39 erfolgreich in menschliche Caco-2-Zellen eindringen. Selbst innerhalb derselben Bakterienart besitzen verschiedene Stämme oft unterschiedliche Kombinationen von Effektorproteinen. Beispielsweise verfügt das pflanzenpathogene Bakterium Pseudomonas aeruginosa über 14 Effektorproteine, aber die Anzahl der Effektorproteine, die in mehreren verschiedenen Stämmen gefunden werden, erreicht fast 150.
Der Wirkungsmechanismus von Effektorproteinen
Die Vielfalt der Effektorproteine ermöglicht es ihnen, viele Prozesse innerhalb der Wirtszelle zu beeinflussen. Beispielsweise sind T3SS-Effektorproteine von pathogenen Escherichia coli, Shigella, Salmonella und Yersinia pestis in der Lage, die Aktindynamik von Wirtszellen zu modulieren und deren Anheftung oder Invasion zu fördern. Sie können auch den endozytischen Handel stören, Phagozytose verhindern und apoptotische Wege und Immunantworten des Wirts modulieren.
Nachdem Krankheitserreger in Wirtszellen eingedrungen sind, nutzen sie den Endozytoseweg, um zu überleben, und einige Bakterien können sogar den Prozess der Apoptose verändern.
Phagozyten sind beispielsweise Immunzellen, die Bakterien erkennen und „verschlingen“. Diese Zellen können Bakterien direkt über den sogenannten Scavenger-Rezeptor A oder indirekt über Antikörper und Komplementproteine erkennen. Interne Salmonellen und Shigellen nutzen die Störung des endolysosomalen Transports, um der Phagozytose zu entgehen und in der Wirtszelle zu überleben. Yersinia pestis hingegen blockiert diesen Prozess, indem es die Reorganisation des Zytoskeletts hemmt.
Während des endozytischen Transportprozesses fördern Salmonella-Bakterien die Bildung von „Salmonella-Zysten“ (SCVs) und wandern mit zunehmender Reife der SCVs zum Organisationszentrum der Mikrotubuli, um das Überleben der Bakterien weiter zu fördern. Unterdessen entgeht Shigella dem endolysosomalen System, indem es die Zyste schnell auflöst.
Die Effektorproteine einiger Krankheitserreger beeinflussen nicht nur die Phagozytose und den endozytischen Transport, sondern können auch den Sekretionsweg der Wirtszellen beeinträchtigen. Beispielsweise kann das Effektorprotein EspG des enteropathogenen Escherichia coli die Sekretion von Interleukin-8 in Wirtszellen reduzieren und so die Immunantwort beeinflussen. Dieses Effektorprotein hat, wie andere Effektorproteine auch, eine starke hemmende Wirkung auf das Immunsystem des Wirts.
Viele pathogene Bakterien haben Mechanismen entwickelt, um die Apoptose der Wirtszellen zu verhindern und so ihre Lebensumgebung zu erhalten.
Zum Beispiel verhindern die Effektorproteine NleH und NleF von enteropathogenen Escherichia coli die Apoptose der Wirtszelle. Darüber hinaus haben auch die Shigella-Effektorproteine IpgD und OspG ähnliche Funktionen. Diese Effektorproteine können verhindern, dass Wirtszellen eine apoptotische Reaktion eingehen, indem sie in den NF-kB-Signalweg eingreifen. Obwohl viele Effektorproteine eine Schlüsselrolle bei der Abwehr des Zelltods des Wirts spielen, induzieren einige Effektorproteine den Zelltod, beispielsweise die Rolle der EHEC-Effektorproteine EspF, EspH und Cif.
Mittel zur Anti-Immunreaktion
Pathogene Bakterien entgehen der Immunantwort des Wirts auf verschiedene Weise. Eine der Hauptmethoden besteht darin, den NF-kB-Signalweg in Wirtszellen zu stören. Eine Vielzahl von Effektorproteinen kann die Aktivierung des NF-kB-Signalwegs wirksam hemmen. Beispielsweise verhindert das Effektorprotein NleC von enteropathogenen Escherichia coli die Produktion von IL-8, indem es Komponenten von NF-kB spaltet. In ähnlicher Weise verhindern YopE und YopP von Yersinia pestis die Aktivierung von NF-kB, das eine wichtige Rolle bei der Verhinderung von Entzündungsreaktionen spielt.
Durch die eingehende Untersuchung bakterieller Effektorproteine haben wir ein umfassenderes Verständnis ihrer Rolle bei pathogenen Infektionen. Wird dies die Art und Weise verändern, wie wir in Zukunft über die Behandlung von Infektionskrankheiten denken?
