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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-81632
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/8163/


Dictyostelium discoideum als Francisella-Infektionsmodell unter Verwendung von F. noatunensis subsp. noatunensis

Dictyostelium discoideum as a Francisella infection model using F. noatunensis subsp. noatunensis

Brenz, Yannick

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Dictyostelium , Francisella , Infektion , Zellmodell , Autophagie
Basisklassifikation: 42.30 , 42.15
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hagedorn, Monica (Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.10.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 07.11.2016
Kurzfassung auf Deutsch: Bakterien der Gattung Francisella sind fakultativ intrazelluläre Bakterien, welche Protisten, Invertebraten und Vertebraten infizieren können. Der Genus kann in zwei Gruppen unterteilt werden: Gruppe 1 wird von F. tularensis repräsentiert und infiziert Säugetiere, während Gruppe 2 mit aquatischen Lebensräumen assoziiert ist und vom Fischpathogen F. noatunensis vertreten wird. F. tularensis verursacht im Menschen die potentiell tödliche Erkrankung Tularämie und nutzt in der Infektion Makrophagen als primäre Zielzellen. Um die Virulenzmechanismen von Francisella zu untersuchen, wurden bisher hauptsächlich das Mausmodell und Säugerzelllinien verwendet. Aufgrund von wirtsspezifischen Unterschieden und hohen Sicherheitsanforderungen für Arbeiten mit Francisella wurden jedoch zunehmend alternative Modellsysteme entwickelt, um grundlegende und konservierte Aspekte der Wirt-Francisella-Interaktion zu analysieren.
In dieser Studie wurde ein genetisch und biochemisch steuerbares Infektionsmodell entwickelt: die Amöbe Dictyostelium discoideum kombiniert mit dem Fischpathogen F. noatunensis subsp. noatunensis (F.n.n.). Die Francisella-Pathogenitätsinsel ist im Genus konserviert und deutet auf vergleichbare Virulenzmechismen zwischen fisch- und humanpathogenen Francisella-Spezies hin. Nach der Aufnahme über Phagozytose interagiert das F.n.n.-enthaltende Kompartiment in Dictyostelium mit Endosomen und wird transient angesäuert. Anschließend entkommt F.n.n. dem phagolysosomalen Weg durch den Ausbruch ins Cytosol, wo die Bakterien replizieren. Dieser Prozess ist abhängig vom Virulenzfaktor IglC, einer Komponente des Typ-6-Sekretionssystems (T6SS), und offenbart damit die konservierte Rolle des T6SS für die Virulenz von Francisella im Dictyostelium/F.n.n.-System. Im Cytosol von Dictyostelium interagiert F.n.n. mit der autophagosomlen Maschinerie und wird von Ubiquitin und SQSTM1 für die Degradation im Autophagosom markiert. Eine beeinträchtigte Autophagie in Dictyostelium Δatg1-Zellen führt zu verstärktem, bakteriellen Wachstum im Cytosol und weist der Autophagie damit eine defensive Rolle gegen F.n.n. zu.
Desweiteren wurde der Einfluss der intrazellulären Eisenhomeostase auf Francisella im Dictyostelium/F.n.n.-System untersucht. In Deletionsmutanten der Nramp1- und NrampB-Eisentransporter tritt F.n.n. effizienter aus dem Phagosom ins Cytosol über. Einem erniedrigten Eisengehalt in den Nramp-Mutanten kann F.n.n. durch eine 
verstärkte Induktion der Gene, die eine Eisenakkumulation bewirken, entgegenwirken. Dies führt zu erhöhtem bakteriellen Wachstum in Abwesenheit der Eisentransporter. Der Einfluss von Nramp1 und NrampB auf die phagosomale Reifung als Ursache für die erhöhte Resistenz bleibt zu ermitteln.
Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass das Dictyostelium/F.n.n.-Modell den Infektionsverlauf in Makrophagen rekapituliert, sich aber von anderen Amöben unterscheidet. Dieses simple und leicht zu manipulierende Infektionssystem erlaubt zukünftig die Entwicklung neuer Ansätz um die Interaktion von Francisella und Wirtszelle genauer zu charakterisieren.
Kurzfassung auf Englisch: The bacterial genus of Francisella comprises facultative intracellular pathogens, which can infect protists, invertebrates and vertebrates. They can be classified into two groups: members of group 1 infect mammals and are represented by F. tularensis, whereas group 2 is associated with aquatic habitats and represented by F. noatunensis. In humans, F. tularensis is the etiological agent of the potentially fatal disease tularemia and primarily infects macrophages. Mainly, mammalian cell lines have been used to analyse virulence mechanisms that enable Francisella to infect and manipulate various host cell types. However, due to host specific differences und high safety level requirements for F. tularensis, alternative model systems are established to investigate basic and conserved aspects of Francisella-host cell interactions.
This study describes the establishment of a novel, genetically and biochemically tractable Francisella infection model: the amoeba Dictyostelium discoideum combined with the fish pathogen F. noatunensis subsp. noatunensis (F.n.n.). The Francisella pathogenicity island codes for multiple virulence factors and is conserved within the genus indicating a conserved virulence strategy between fish and human pathogenic species. After uptake via phagocytosis the F.n.n.-containing phagosome interacts with the endosomal pathway in Dictyostelium and transiently acidifies. F.n.n. subsequently escapes phagosomal maturation by escaping into the cytosol, where it replicates. This hallmark of the Francisella life cycle depends on the virulence factor IglC, which is part of a type 6 secretion system (T6SS), and thereby reveals the conserved role of T6SS activity in the Dictyostelium/F.n.n. infection model. In the cytosol of Dictyostelium, F.n.n. interacts with autophagic markers and is labeled by ubiquitin and SQSTM1 for autophagic degradation. If autophagy is impaired (Δatg1), bacterial growth is increased showing the defensive role of autophagy against F.n.n. in Dictyostelium. The influence of intracellular iron homeostasis on Francisella was investigated in the Dicytostelium/F.n.n. system unsing nramp1 and nrampB deletion mutants. The Nramp1 and NrampB iron transporters facilitate resistance against F.n.n. as bacteria can escape phagosomes more efficiently in Nramp knockout mutants. They compensate decreased cytosolic iron levels for growth by an increased induction of iron accumulation genes. However, the influence of Nramp1 and NrampB on phagosomal maturation as the reason for enhanced resistance remains to be elucidated.
Altogether, the Dictyostelium/F.n.n. infection model recapitulates the course of infection in macrophages. Importantly, it stands out from other amoeba in which Francisella replicates intravacuolary. This novel infection system using an easily tractable surrogate macrophage allows new approaches to investigate Francisella-host cell interactions.

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