Clivia Lisowski

• The interaction of bacterial pathogens and the human host is a complex process that has shaped both organisms on a molecular, cellular and population level. When pathogenic bacteria infect the human body, a battle ensues between the host immune system and the pathogen. In order to escape an immune response and to colonize the host, pathogenic bacteria have developed diverse virulence strategies and some pathogens even replicate within host cells. For survival and propagation within the dynamic environment of a host cell, these bacteriaThe interaction of bacterial pathogens and the human host is a complex process that has shaped both organisms on a molecular, cellular and population level. When pathogenic bacteria infect the human body, a battle ensues between the host immune system and the pathogen. In order to escape an immune response and to colonize the host, pathogenic bacteria have developed diverse virulence strategies and some pathogens even replicate within host cells. For survival and propagation within the dynamic environment of a host cell, these bacteria interfere with the regulation of host pathways, such as the cell cycle, for their own benefit. The intracellular pathogen Salmonella Typhimurium invades eukaryotic cells and resides and replicates in a modified vacuolar compartment in which it is protected from the innate immune response. To this end, it employs a set of virulence factors that help to invade cells (SPI-1 effectors) and to hijack and modify the host endolysosomal system, in order to stabilize and mature its vacuolar niche (SPI-2 effectors). Previous studies have shown that Salmonella arrests host cells in G2/M phase and that Salmonella infected cells progress faster from G1 into S phase, suggesting that the G1 phase is disadvantageous for Salmonella infection. In fact, it has already been observed that Salmonella replication is impaired in G1 arrested cells. However, the reason for this impairment remained unclear. The current study addressed this question for the first time and revealed that the highly adapted, intracellular lifestyle of Salmonella is drastically altered upon G1 arrest of the host cell. It is shown that proteasomal degradation in G1 arrested cells is delayed and endolysosomal and autophagosomal trafficking is compromised. Accordingly, processing of lysosomal proteins is insufficient and lysosomal activity is decreased; resulting in uneven distribution and accumulation of endolysosomes and autophagosomes, containing undegraded cargo. The deregulation of these cellular signaling pathways affects maturation of the Salmonella containing vacuole (SCV). For the first time it is shown that acidification of SCVs is impaired upon G1 arrest. Thus, an important environmental factor for the switch from SPI-1 to SPI-2 gene expression is missing and the SPI-2 system is not activated. Consequently, targeting and modification of host cell structures by SPI-2 effectors e.g. recruitment of endolysosomal membrane proteins, like LAMP1, or exchange of endosomal cargo, is compromised. In addition, degradation of Salmonella SPI-1 effectors by the host proteasome is delayed. Their prolonged presence sustained the recruitment of early endosomes and contributed to the SCV remaining in an early, vulnerable maturation stage. Finally, it was shown that SCV membrane integrity is compromised; the early SCV ruptures and bacteria are released into the cytoplasm. Depending on the host cell type, SPI-2 independent, cytoplasmic replication is promoted. This might favor bacterial spreading, dissemination into the tissue and provide an advantage in host colonization. Overall, the present study establishes a link between host cell cycle regulation and the outcome of Salmonella infection. It fills the gap of knowledge as to why the host cell cycle stage is of critical importance for Salmonella infection and sheds light on a key aspect of host-pathogen interaction.…
• Die Interaktion zwischen bakteriellen Krankheitserregern und dem menschlichen Wirt ist ein komplexer Prozess, der beide Organismen auf molekularer, zellulärer und Populationsebene geprägt hat. Wenn pathogene Bakterien den menschlichen Körper infizieren, kommt es zu einem Kampf zwischen dem Immunsystem des Wirtes und dem Krankheitserregers. Um einer Immunantwort zu entgehen und den Wirt zu besiedeln, haben pathogene Bakterien diverse Strategien entwickelt und einige Erreger vermehren sich sogar innerhalb von Wirtszellen. Zum ÜberlebenDie Interaktion zwischen bakteriellen Krankheitserregern und dem menschlichen Wirt ist ein komplexer Prozess, der beide Organismen auf molekularer, zellulärer und Populationsebene geprägt hat. Wenn pathogene Bakterien den menschlichen Körper infizieren, kommt es zu einem Kampf zwischen dem Immunsystem des Wirtes und dem Krankheitserregers. Um einer Immunantwort zu entgehen und den Wirt zu besiedeln, haben pathogene Bakterien diverse Strategien entwickelt und einige Erreger vermehren sich sogar innerhalb von Wirtszellen. Zum Überleben und zur Vermehrung innerhalb der dynamischen Umgebung einer Wirtszelle, manipulieren diese Bakterien die Regulation zellulärer Netzwerke, wie zum Beispiel den Zellzyklus, zu ihrem eigenen Vorteil. Salmonella Typhimurium, ein intrazelluläres Bakterium, dringt in eukaryotische Wirtszellen ein und vermehrt sich in einem modifizierten, vakuolären Kompartiment, welches gleichzeitig vor der angeboren Immunantwort des Wirtes schützt. Zu diesem Zweck entwickelten Salmonellen eine Reihe von Virulenzfaktoren. Diese sind zum einen für die Invasion von Zellen verantwortlich (SPI-1 Faktoren), zum anderen greifen sie das endolysosomale System der Wirtszelle an und modifizieren es, mit dem Ziel die intrazelluläre Salmonellen-enthaltende Vakuole (SCV) zu stabilisieren und reifen zu lassen (SPI-2 Faktoren). Frühere Studien haben gezeigt, dass Salmonellen ihre Wirtszellen in der G2/M Phase blockieren. Zudem gehen Salmonellen-infizierte Zellen schneller von der G1 in die S-Phase über, was auf einen Nachteil der G1-Phase für die Salmonelleninfektion hindeutet. In der Tat wurde bereits beobachtet, dass die Vermehrung von Salmonellen in G1-arretierten Zellen beeinträchtigt war. Der Grund für diese Beeinträchtigung blieb jedoch unklar. Die vorliegende Studie befasst sich zum ersten Mal mit dieser Frage und zeigt auf, dass der hoch angepasste, intrazelluläre Lebensstil von Salmonellen während des G1-Arrest der Wirtszelle dramatisch verändert wird. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit wurde gezeigt, dass der proteasomale Abbau in G1-arretierten Zellen verzögert und die endolysosomalen und autophagosomalen Transportnetzwerke beeinträchtigt sind. Dementsprechend ist die Prozessierung lysosomaler Proteine unzulänglich und die lysosomale Aktivität herabgesetzt; was zu einer ungleichmäßigen Verteilung und Anreicherung von Endolysosomen und Autophagosomen führt, die nicht abgebaute Stoffwechselprodukte akkumulieren. Die Deregulierung der genannten zellulären Signalwege beeinflusst die Reifung der SCV. Es konnte hier zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Ansäuerung der SCV in G1-arretierten Zellen inhibiert ist. Somit fehlt ein essentieller Faktor für den Wechsel von SPI-1 zu SPI-2-Genexpression und das SPI-2 System wird nicht aktiviert. Folglich findet keine Modifikation der Wirtszelle durch SPI-2-Effektoren, z.B. die Rekrutierung endolysosomaler Membranproteine, wie LAMP1 oder der Austausch endosomaler Fracht statt. Zudem ist der Abbau von bakteriellen SPI-1-Effektoren durch das Wirtsproteasom verzögert. Die verlängerte Präsenz der SPI-1 Effektoren fördert eine anhaltende Rekrutierung von frühen Endosomen und trägt zum Verbleib der SCV in einem frühen, sehr instabilen Reifestadium bei. Schließlich wurde gezeigt, dass die Integrität der SCV Membran kompromittiert ist, die Vakuole aufbricht und die Bakterien ins Zytoplasma entlassen werden. In Abhängigkeit des Wirtszelltyps wird eine SPI-2 unabhängige, zytoplasmatische Vermehrung begünstigt, was möglicherweise die Ausbreitung der Bakterien ins Gewebe erleichtert und somit einen Vorteil bei der Besiedelung des Wirtes darstellt. Insgesamt etabliert die vorliegende Studie einen Zusammenhang zwischen der Regulation des Wirtszellzyklus und dem Ergebnis einer Salmonelleninfektion. Es wird aufgezeigt, warum der Zellzyklus der Wirtszelle von entscheidender Bedeutung für den Verlauf der Salmonelleninfektion ist und beleuchtet somit einen essentiellen Aspekt der Wirt-Pathogen-Interaktion.…