Histonmodifikationen in der Pathogenese bakterieller Infektionen

Abstract

Histonmodifikationen tragen zur Regulation eukaryonter Gentranskription bei. Ihre spezifische Bedeutung im Hinblick auf die Immunität gegenüber intrazellulären Pathogenen ist weitestgehend unbekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Bedeutung von Histonmodifikationen sowie verschiedener Signalwege am Modell der Infektion von humanen Endothelzellen mit den Erregern Listeria monocytogenes und Chlamydophila pneumoniae zu untersuchen. L. monocytogenes und C. pneumoniae induzierten in humanen Endothelzellen die Expression von IL-8 und IFN(gamma), die über die Rekrutierung von verschiedenen Entzündungszellen essentiell für die Erregereliminierung des Wirtes sind. Zusätzlich aktivierten beide Bakterien in diesen Zellen die Freisetzung von IL-6, TNF(alpha) und G CSF. Exemplarisch konnte für beide Bakterien ein signifikanter Anstieg der Bakterien-bedingten IL 8 Freisetzung nach HDAC-Inhibition mittels Trichostatin A gezeigt werden, wobei Trichostatin A zunächst den Azetylierungsstatus am Histon H4 des il8 Genpromotors erhöhte. Darüber hinaus führte sowohl eine Infektion mit dem Bakterium L. monocytogenes als auch eine Infektion mit C. pneumoniae zu spezifischen Histonmodifikationen am Histon H3 und am Histon H4. Exemplarisch wurde eine Phosphorylierung/Azetylierung an Histon H3 sowie eine Panazetylierung an Histon H4 untersucht. Insbesondere der il8-Genpromotor wies nach Infektion mit diesen Erregern eine zeitabhängige Phosphorylierung/Azetylierung des Histons H3 an den Aminosäuren Serin 10 und Lysin 14 bzw. eine Panazetylierung des Histons H4 auf. Ferner kam es zeitabhängig zur Bindung der RNA Polymerase II sowie der NF B Untereinheit p65 an den il8-Genpromotor. Nach Infektion mit L. monocytogenes konnte zusätzlich eine zeitabhängige Rekrutierung der Histon- Azetyltransferase CBP bzw. eine verminderte Rekrutierung der Histon- Deazetylase HDAC1 an den Promotor beobachtet werden. Exemplarisch konnte für den Erreger L. monocytogenes eine p38-MAPK- und ERK1/2 Abhängigkeit im Hinblick auf spezifische Histonmodifikationen und die Freisetzung von IL 8 beobachtet werden. Weiterhin war auch die Bindung der RNA Polymerase II, der NF-(kappa)B-Untereinheit p65 sowie der HAT CBP an den il8-Genpromotor abhängig von p38 MAPK und ERK1/2, ferner wurde die Bindung der HDAC1 durch die p38-MAPK reguliert. Im Gegensatz dazu hatte L. monocytogenes weder Einfluss auf die bereits hohe Vorazetylierung des ifn(gamma) -Genpromotors noch waren p38-MAPK und ERK1/2 in die Regulation des Promotors nach L. monocytogenes-Infektion involviert. Für beide Bakterien konnte gezeigt werden, dass es Rac1-abhängig zur Freisetzung des Zytokins IL-8 in humanen Endothelzellen kam. Darüber hinaus wurden Bakterien-bedingte Histonmodifikationen insbesondere des il8-Genpromotors Rac1-abhängig kontrolliert. Auch die Rekrutierung der RNA Polymerase II und von p65 wurde am il8-Promotor in Abhängigkeit von Rac1 reguliert. Eine Vorinkubation mit dem Cholesterinsenker Simvastatin, der zusätzlich Rho-inhibierende Eigenschaften hat, führte zu einer signifikanten Reduktion der C. pneumoniae-bedingten IL 8-Sekretion. Sowohl auf Proteinebene durch den Western Blot gezeigt als auch spezifisch am il8-Genpromotor beobachtet, wurden C. pneumoniae-bedingte Histonmodifikationen sowie die Promotorbindung der RNA Polymerase II und der NF-(kappa) B-Untereinheit p65 nach Inhibition mittels Simvastatin deutlich reduziert. Chromatinveränderungen, insbesondere Histonmodifikationen, werden infolge bakterieller Infektionen genspezifisch in humanen Endothelzellen hervorgerufen und scheinen mitverantwortlich für die Regulation der Genexpression zu sein.

Histone modifications contribute to the regulation of eukaryotic gene transcription. However, the role of chromatin remodelling in immune responses to intracellular pathogens is poorly understood. Focus of this work lied on clarifying the importance of chromatin remodelling mechanisms as well as signaling pathways in response to infections with Listeria monocytogenes and Chlamydophila pneumoniae as model organism of human endothelial cell infection. L. monocytogenes and C. pneumoniae induced the expression of IL-8 and IFN(gamma), two cytokines that are of great importance for recruitment of inflammatory cells responsible for bacterial elimination. Furthermore, both bacteria induced the secretion of IL-6, TNF(alpha) and G CSF. By using the HDAC inhibitor Trichostatin A (TSA) L. monocytogenes- and C. pneumoniae- induced IL-8 secretion was significantly upregulated while treatment with TSA led to an increased pan-acetylation of histone H4 at the il8 promoter. Moreover, it was demonstrated that endothelial infection by L. monocytogenes and C. pneumoniae induced histone modifikations of histone H3 and H4. The main approach of this work was to analyse two specific histone modifications: phosphorylation/acetylation of histone H3 and pan-acetylation of histone H4. It was shown that both pathogens induced time-dependently phosphorylation/acetylation at serin 10/ lysin 14 of histone H3 and pan acetylation of histone H4, especially at the il8 promoter. In addition, recruitment of RNA polymerase II and NF-(kappa)B/p65 to the il8 promoter could be detected in a time-dependent manner. Infection with L. monocytogenes also demonstrated that the histone acetyl transferase CBP was recruited to the il8 promoter while HDAC1 disappeared. Infectionstudies with L. monocytogenes showed that histone modifications were p38 MAPK and ERK1/2-dependent, especially at the il8 promoter. While recruitment of RNA Pol II, p65 and CBP to the il8 promoter were shown to be regulated by p38-MAPK and ERK1/2, HDAC1 recruitment depended solely on p38-MAPK. On the other hand, L. monocytogenes had no effect on high basal histone acetylation at the ifn(gamma) promoter and p38-MAPK and ERK1/2 were not involved in L. monocytogenes-induced IFN(gamma) expression. L. monocytogenes as well as C. pneumoniae induced IL-8 production in a Rac1-dependend manner in human endothelial cells. Moreover, both bacteria-induced histone modifications were Rac1-dependend and recruitment of RNA Pol II and p65 to the il8 promoter were shown to be reduced after inhibition of Rac1. Finally, simvastatin, an agent known to have beneficial effects on endothelial function by cholesterol reduction and also known to have blocking effects on Rho proteins, reduced C. pneumoniae-induced IL-8 secretion. C. pneumoniae-induced histone modifications were impaired after pre-treatment with simvastatin at protein level and specifically at the il8 promoter. Moreover, recruitment of RNA Polymerase II and NF-(kappa) B/p65 to the il8 promoter was reduced by simvastatin. Taken together, chromatin remodelling, especially histone modifications, are induced gen-specific after bacterial infection in human endothelial cells. This phenomenon might contribute to the regulation of genexpression.