Katharina Küspert

• Neisseria meningitidis und Neisseria gonorrhoeae sind humanpathogene Vertreter der Gattung Neisseria. Diese Erreger verfügen über eine Reihe von Virulenzfaktoren, um erfolgreich den menschlichen Körper zu besiedeln. Dabei spielen die neisseriellen OpaCEA-Proteine eine wichtige Rolle. Diese Adhäsine binden an bestimmte Rezeptoren der humanen CEACAM-Familie, die auf unterschiedlichen Zelltypen im menschlichen Körper exprimiert werden. Die Interaktion der OpaCEA-Proteine mit der stark konservierten aminoterminalen Domäne von bestimmten CEACAMsNeisseria meningitidis und Neisseria gonorrhoeae sind humanpathogene Vertreter der Gattung Neisseria. Diese Erreger verfügen über eine Reihe von Virulenzfaktoren, um erfolgreich den menschlichen Körper zu besiedeln. Dabei spielen die neisseriellen OpaCEA-Proteine eine wichtige Rolle. Diese Adhäsine binden an bestimmte Rezeptoren der humanen CEACAM-Familie, die auf unterschiedlichen Zelltypen im menschlichen Körper exprimiert werden. Die Interaktion der OpaCEA-Proteine mit der stark konservierten aminoterminalen Domäne von bestimmten CEACAMs führt zu einer Aufnahme der Bakterien in die Zellen. Dort können sie, vor der humoralen Immunantwort geschützt, persistieren oder sich durch Transzytose in tiefer gelegene Gewebe weiter ausbreiten und letztendlich eine disseminierte Krankheit auslösen. Da CEACAMs eine entscheidende Rolle bei der Infektion mit pathogenen Neisserien spielen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Interaktion dieser zellulären Rezeptoren mit pathogenen Neisserien und die daraus resultierenden molekularen Ereignisse auf bakterieller bzw. zellulärer Seite näher untersucht. Zunächst wurde eine neuartige Methode entwickelt, die im Gegensatz zu herkömmlichen Strategien eine schnelle und quantitative Erfassung von Neisserien-CEACAM-Interaktionen ermöglicht. Bei dieser Methode wurden GFP-fusionierte, lösliche aminoterminale CEACAM-Domänen eingesetzt, die spezifisch an OpaCEA-exprimierende Bakterien binden. Einzelne Bakterien einer Population, die mit den fluoreszierenden Rezeptordomänen assoziierten, konnten aufgrund ihrer erhöhten Fluoreszenz im Durchflußzytometer sehr schnell und quantitativ bestimmt werden. Diese Rezeptordomänen wurden außerdem als molekulares Werkzeug zur Erstellung eines OpaCEA-induzierten Transkriptionsprofils von Opa-positiven Meningokokken verwendet. Transkriptomanalysen mittels Mikroarrays zeigten, dass die Interaktion OpaCEA-exprimierender Meningokokken mit der löslichen, aminoterminalen Domäne von CEACAM1 eine Herrunterregulation von 56 Genen sowie eine Hochregulation von sieben Genen in Neisseria meningitidis MC58 zur Folge hatte. Dabei konnte ein hochreguliertes Gen identifiziert werden, dessen Genprodukt aufgrund seiner Homologie zu einem bakteriellen -Hämolysin möglicherweise virulenz-assoziiert ist. Die Erstellung dieses Transkriptionsprofils beruhte auf der Interaktion zwischen der aminoterminalen Domäne von CEACAM1 und seinen bis heute einzig bekannten neisseriellen Liganden, den OpaCEA-Proteinen. Bemerkenswerterweise konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Opa-negativer Meningokokkenstamm isoliert werden, der ebenfalls an CEACAM1 bindet und von CEACAM1-exprimierenden Zellen internalisiert wird. Da dieser Meningokokkenstamm keine Opa-Proteine exprimierte, muß er über ein weiteres Adhäsin verfügen, das mit CEACAM1 assoziiert. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass für die CEACAM1-vermittelte Aufnahme dieser Opa-negativen Meningokokken mehrere extrazelluläre Domänen des Rezeptors notwendig sind. Im Gegensatz zur Aufnahme OpaCEA-exprimierender Bakterien war die aminoterminale Domäne essentiell, aber nicht ausreichend für diesen phagozytischen Vorgang, der unabhängig vom Aktinzytoskelett erfolgte. Auch bei Bindungsstudien mit löslichen CEACAM1 Konstrukten gab es Differenzen zwischen den opaquen und nicht-opaquen Bakterienstämmen. So zeigte sich, dass im Gegensatz zu OpaCEA-exprimierenden Meningokokken, die mit monomeren Formen des löslichen Rezeptors assoziieren konnten, Opa-negativen Meningokokken nur mit multimerisierten Formen des Rezeptors interagierten. CEACAM1 stellt den einzigen Rezeptor aus der CEACAM-Familie dar, mit dem Opa-negative Meningokokken interagieren können. Demgegenüber assoziieren OpaCEA-exprimierende Neisserien mit mehreren Mitgliedern der CEACAM-Familie, unter anderem mit CEACAM3. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die c-Jun N-terminale Kinase an Signaltransduktionswegen, die durch Interaktion von OpaCEA-exprimierenden Neisserien mit CEACAM3 ausgelöst wurden, beteiligt ist. Erstaunlicherweise konnte durch Inhibition der c-Jun N-terminalen Kinase CEACAM3-vermittelte Aufnahme der opaquen Bakterien in die Zelle reduziert werden. Da die Aktivierung der c-Jun N-terminalen Kinase unabhängig von der Phosphorylierung der ITAM-ähnlichen Sequenz erfolgte, scheint dieses Molekül an einem neuartigen Signalweg beteiligt zu sein, der komplementär zu bereits bekannten CEACAM3-vermittelten Signalprozessen abläuft. Die in der vorliegenden Arbeit zusammengefassten Befunde liefern neue Einblicke in die Wechselwirkung zwischen pathogenen Neisserien und ihren Wirtszellen und können als Ausgangspunkt für interessante weiterführende Analysen dienen.…
• The human specific pathogens Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae have developed several mechanisms to colonize their human host. Colonization can be mediated by binding of neisserial OpaCEA proteins to members of the human CEACAM-family, which are expressed in various human tissues and cell types. Interaction of OpaCEA proteins with the aminoterminal domain of these receptors results in the uptake of Neisseria into the cells, allowing the bacteria to escape host defences and to persist within the host. Besides, bacteria canThe human specific pathogens Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae have developed several mechanisms to colonize their human host. Colonization can be mediated by binding of neisserial OpaCEA proteins to members of the human CEACAM-family, which are expressed in various human tissues and cell types. Interaction of OpaCEA proteins with the aminoterminal domain of these receptors results in the uptake of Neisseria into the cells, allowing the bacteria to escape host defences and to persist within the host. Besides, bacteria can transcytose across the mucosal barrier and cause systemic dissemination. As CEACAMs play an important role during infection with pathogenic Neisseria the aim of this doctoral thesis was to investigate Neisseria-CEACAM interactions and resulting molecular events on bacterial and cellular levels. Therefore, a novel method was developed which allows rapid and quantitative analysis of Neisseria-CEACAM association. Soluble GFP-tagged aminoterminal domains of CEACAMs are utilized for recognition of CEACAM-binding bacteria. Bacteria binding this receptor domains are therefore labelled with a fluorescent protein. Analysis via flow cytometry allows a rapid and specific detection of receptor binding events on a single bacteria level . The soluble receptor domains were also used as a molecular tool for microarray analysis to assess OpaCEA induced changes on transcriptional level in Opa-positive Neisseria meningitides MC58. Interaction of OpaCEA-expressing meningococci with soluble aminoterminal domains of CEACAM1 resulted in downregulation of 56 bacterial genes and upregulation of seven other genes. Interestingly, one of these upregulated genes might be involved in virulence due to its homology to an -hemolysin of other bacteria. OpaCEA proteins are the only neisserial proteins known that associate with CEACAM1. However, in this study a meningococcal strain was isolated, which does not express Opa-proteins but nevertheless specifically interacts with CEACAM1. Therefore, these Opa-negative meningococci must express an additional adhesin, which mediates CEACAM1-interaction. Internalisation of Opa-negative meningococci via CEACAM1 requires several extracellular domains of this receptor. In contrast to OpaCEA-expressing bacteria, the aminoterminal domain was necessary but not sufficient for internalisation. Differences between CEACAM1-binding of Opa-negative and Opa-positive meningococci were also observed by binding-assays with soluble CEACAM1 receptor. While Opa-positive meningococci associated with monomeric forms of soluble CEACAM1, Opa-negative meningococci bound exclusively to multimeric forms of soluble CEACAM1. CEACAM-interactions with Opa-negative meningococci were only observed for CEACAM1. OpaCEA-expressing Neisseria can interact with several members of the CEACAM family, amongst others CEACAM3. Interestingly, interaction of OpaCEA-expressing Neisseria with CEACAM3 causes the activation of c-Jun N-terminal kinase. Inhibition of this kinase resulted in a reduced CEACAM3-mediated uptake of Neisseria into the cells. Remarkably, activation of c-Jun N-terminal kinase was independent of phosphorylation of the ITAM-like sequence of CEACAM3. Therefore, c-Jun N-terminal kinase seems to be involved in a novel signaling pathway, complementary to known CEACAM3-mediated signaling processes. The results presented in this study give new insights regarding the interaction of pathogenic Neisseria and host cells and pave the way for further interesting studies.…