Chlamydia pneumoniae: Erreger nutzt zum Eindringen in Wirtszellen „molekulares Mimikry“

Pathogene entwickeln verschiedene Strategien, um menschliche Zellen als Wirt für ihre Zwecke zu nutzen. Düsseldorfer Forschende haben nun die Angriffsstrategien des Bakteriums Chlamydia pneumoniae aufgeklärt.

Die Arbeitsgruppe von Sen.-Prof. Johannes H. Hegemann am Institut für Funktionelle Genomforschung der Mikroorganismen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat zusammen mit dem Center for Structural Studies (CSS), dem Center for Advanced Imaging (CAi) und dem Institut für Biochemie und Molekularbiologie II der Medizinischen Fakultät (Arbeitsgruppe Prof. Reza Ahmadian) in Düsseldorf die Infektionsmechanismen des Bakteriums erforscht. Erstmals beschreiben sie die strukturellen und funktionellen Methoden, die C. pneumoniae nutzt, um in die menschliche Zelle einzudringen: Es ahmt molekulare Strukturen der menschlichen Zelle nach und nutzt diese für ihren Angriff. Man spricht hier von „molekularem Mimikry“.

Das Bakterium kann sich nur im Inneren einer Wirtszelle vermehren und muss diese deshalb dazu bringen, sie mittels Endozytose hinein zu transportieren. Entscheidend bei diesem Vorgang – der die Bildung eines membranumschlossenen Vesikels beinhaltet, das den fremden Inhalt aufnimmt – ist das Aktinzyto­skelett der Zelle, das die für die Endozytose notwendige Kraft liefert. Der Vorgang wird aktiviert, indem das menschliche Protein Cdc42 an einen bestimmten Aktivator (N-WASP) koppelt.

Veränderung der Endozytose

Erstautorin Fabienne Kocher, Biologiedoktorandin und Mitglied der Manchot Graduiertenschule „Molecules of Infection IV“, erläutert, wie C. pneumoniae die Endozytose für ihre Zwecke anpasst: „Nachdem der Erreger von außen an die Humanzelle angedockt hat, injiziert er das chlamydiale Protein ‚SemD‘ in die zukünftige Wirtszelle. Das aufgenommene SemD bindet dann von innen an die Membran des sich bildenden Vesikels und aktiviert seinerseits das Aktinzytoskelett, um so die Plasmamembran vollständig um das große Chlamydium zu stülpen.“
Hiermit wird die Endozytose zugunsten des Bakteriums verändert: Diese ist normalerweise nicht dafür ausgelegt, so große Strukturen wie ein ganzes Bakterium zu transportieren.

Hegemann erläutert: „Wir wollten wissen, wie die verschiedenen molekularen Strukturen miteinander interagieren und wie sich die Chlamydien entwickelt haben, um die menschliche Zelle möglichst gut infizieren zu können. Das bakte­rielle Protein SemD ist tatsächlich optimal an N-WASP angepasst. Es sieht an der entscheidenden Stelle, mit der es an N-WASP bindet, genauso aus wie Cdc42. Es bindet sogar besser als der normale Aktivator Cdc42.“ Ahmadian ergänzt: „Wir konnten auch zeigen, dass SemD sogar Cdc42 verdrängt, welches bereits an N-WASP gebunden hat, um dann selbst daran binden.“

Die Forschenden haben für die Strukturaufklärung winzige Kristalle aus SemD mit N-WASP gezüchtet und dessen Struktur untersucht. Hierfür war das Team von Prof. Sander Smits am CSS zuständig: „Um diese komplexen Messungen durchführen zu können, ist modernstes technisches Equipment und vor allem das entsprechende Personal notwendig. Diese Konzentration von infrastruktureller Ausstattung und personeller Expertise ist nicht in jedem Labor möglich. Hierfür bedarf es spezieller Zentren, wie die HHU eines mit dem CSS aufgebaut hat.“

„Wir hoffen, zukünftig Wirkstoffe zu entwickeln, die diese hochspezifische Interaktion des bakteriellen mit dem menschlichen Protein verhindern“, erklärt Kocher. „Dies kann dann Infektionen mit C. pneumoniae blockieren.“