Regulation der Genexpression in S. pneumoniae-infiziertem Lungenepithel

Projektleiter und Institution

Priv. Doz. Dr. Stefan Hippenstiel, Med. Klinik m. S. Infektiologie, Charité - Universitätsmedizin Berlin

Stipendiatin

Janine Zahlten

Die Infektion mit Streptococcus pneumoniae ist die häufigste Ursache für eine ambulant erworbene Pneumonie, welche die verbreitetste Infektionskrankheit in den Industrienationen darstellt. Obwohl pulmonale Epithelzellen primäre Zielzellen invadierender Pathogene (einschließlich Pneumokokken) sind, liegen kaum Informationen über die Pneumokokken-Wirtszellinteraktion vor. Epithelzellen detektieren extra- [1] und intrazelluläre [2] Pneumokokken durch Rezeptoren. Infolgedessen kommt es zu einer starken pro-inflammatorischen Aktivierung des Epithels [3]. Die subsequente Freisetzung von Chemo- und Zytokinen durch die Wirtszellen orchestriert den charakteristischen, massiven Einstrom neutrophiler Granulozyten bei der Pneumokokkenpneumonie. Obwohl die Entzündungsreaktion zur Elimination der Pathogene notwendig ist, bergen eine überschießende pulmonale Entzündungsreaktion und direkte Schädigung der pulmonalen Epithelzellen durch Pneumokokken [4] ständig das Risiko eines pulmonalen Organversagens.

Daher sollen im Rahmen dieser Förderung Mechanismen der Genexpression in S. pneumoniae-infiziertem humanen Lungenepithel im Detail untersucht werden. Mittelfristig kann das Verständnis dieser Signalprozesse die Grundlagen zur Entwicklung neuer, rationaler Therapiestrategien der Pneumonie legen.

Die Zytokinbildung unterliegt einer engen Regulation durch epigenetische Mechanismen, Kinasenkaskaden und Transkriptionsfaktoren (z. B. NF-κB) [5]. Aktuelle Untersuchungen ergaben, dass diese Signalwege teils in parallelen, teils in sequenziellen Signalwegen interagieren und erst im komplexen Zusammenspiel zur Bildung von Zytokinen führen.

Der Transkriptionsfaktor NF-κB wurde z. B. in verschiedenen Systemen als ein Zielmolekül der p38 mitogen-aktivierten Kinase (MAPK), ihrer Effektorkinasen (u. a. MSK1/2, MK2/3) sowie von Histon-Acetyltransferasen (HAT) und Histondeacetylasen (HDAC) beschrieben [6] [7]. Besondere Bedeutung kommt hierbei offenbar einer Konvergenz dieser Signalkaskaden auf Ebene der Promotorregulation zu. Nach Aktivierung, nukleärer Translokation und Bindung von NF-κB an Genpromotoren entscheiden z. B. Phosphorylierungen von NF-κB darüber, ob Transkription stattfindet. So können beispielsweise Phosphorylierungen von NF-κB aktivierend (z. B. Serin 276, 536) als auch inhibierend (Serin 468) [8] an spezifischen Genpromotoren wirken [6]. Die Bedeutung solcher spezifischer, posttranslationeller Modifikationen des Transkriptionsfaktors NF-κB für pulmonale Infektionen ist unbekannt. Anhand von Pneumokokken infizierten humanen pulmonalen Epithelzellen werden wir diese molekularen Regulationsmechanismen im Detail untersuchen.

Neben der Phosphorylierung des Promotor-gebundenen NF-κB modifizieren Histon-Acetyltransferasen (z. B. p300, CBP, Gcn5) und -Deacetylasen (z. B. HDAC1 - 3) die Gentranskription [9]. Diese Enzyme werden z. T. durch ihre Lokalisation als auch durch eine Modifikation ihrer Transkription reguliert. Ob eine und welche Funktion diesen Enzymsysteme in der Pneumokokkeninfektion zukommt ist unbekannt. In einem zweiten Schwerpunkt analysieren wir daher die Rolle dieser Moleküle für die pro-inflammatorische Aktivierung Pneumokokken exponierter pulmonaler Epithelzellen.

Insgesamt hat die Infektion pulmonaler Epithelzellen mit Pneumokokken die Stimulation einer Vielzahl verschachtelter, bislang unzureichend charakterisierter Signalwege zur Folge, welche die Expression pro-inflammatorischer Gene regulieren. Diese Untersuchungen sollen einen Beitrag zum Verständnis der molekularen Pathophysiologie der Pneumokokkenpneumonie leisten und zur Entwicklung rationaler Therapiestrategien beitragen.

Literatur

• 1 Schröder N W, Morath S, Alexander C. et al . Lipoteichoic acid (LTA) of Streptococcus pneumoniae and Staphylococcus aureus activates immune cells via Toll-like receptor (TLR)-2, lipopolysaccharide-binding protein (LBP), and CD14, whereas TLR-4 and MD-2 are not involved.  J Biol Chem. 2003;  278 15587-15 594
• 2 Opitz B, Püschel A, Schmeck B. et al . Nucleotide-binding oligomerization domain proteins are innate immune receptors for internalized Streptococcus pneumoniae.  J Biol Chem. 2004;  279 36 426-36 432
• 3 Schmeck B, Zahlten J, Moog L. et al . Streptococcus pneumoniae-induced p38 MAPK-dependent phosphorylation of RelA at the interleukin-8 promotor.  J Biol Chem. 2004;  279 53 241-53 247
• 4 Schmeck B, Gross R, N'Guessan P D. et al . Streptococcus pneumoniae-induced caspase 6-dependent apoptosis in lung epithelium.  Infect Immun. 2004;  72 4940-4947
• 5 Hoffmann E, Dittrich-Breiholz O, Holtmann H. et al . Multiple control of interleukin-8 gene expression.  J Leukoc Biol. 2002;  72 847-855
• 6 Chen L F, Greene W C. Shaping the nuclear action of NF-kappaB.  Nat Rev Mol Cell Biol. 2004;  5 392-401
• 7 Schmitz M L, Mattioli I, Buss H. et al . NF-kappaB: a multifaceted transcription factor regulated at several levels.  Chembiochem. 2004;  5 1348-1358
• 8 Buss H, Dorrie A, Schmitz M L. et al . Phosphorylation of serine 468 by GSK-3beta negatively regulates basal p65 NF-kappaB activity.  J Biol Chem. 2004;  279 49 571-49 574
• 9 Muegge K. Preparing the target for the bullet.  Nat Immunol. 2002;  3 16-17