Human and zoonotic Chlamydia species interact with Golgi-dependent vesicular and non-vesicular trafficking pathways

Abstract

Chlamydia spp. are gram-negative obligate intracellular bacteria causing different diseases in humans and animals. To live inside a membrane bound vacuole, termed ‘inclusion’, Chlamydia spp. hijack diverse host cell processes, that support nutrient and in particular sphingolipid acquisition. The human pathogen C. trachomatis induces Golgi fragmentation, recruits Golgi ministacks and thereby ensures sphingolipid supply. C. trachomatis-dependent processing of golgin-84, regulator of Golgi structure and retrograde trafficking, was proposed to trigger this process. Here, a detailed mutational analysis of golgin-84 revealed that golgin-84 localizes to C. trachomatis inclusions and is likely to be processed in a subset of living cells. Since recruitment of golgin-84 supported bacterial development, it can be assumed that the acquisition of specific golgin-84 positive compartments that supply C. trachomatis with metabolites fuel bacterial development. Golgi fragmentation is induced by various human-adapted Chlamydia spp. This study demonstrates that even zoonotic C. psittaci rearrange the Golgi apparatus in human cells. Phenotypic appearance and distribution of Golgi elements were however distinct in C. trachomatis and C. psittaci infections. Concomitant, species-specific interactions between bacteria and mediators of Golgi structure and trafficking were observed. Here, C. psittaci seemed to scavenge a reduced set of vesicular trafficking routes whereas the interaction with non-vesicular transport of ceramide via CERT was conserved among human and zoonotic species. Inhibitor studies, using the ceramide analogue HPA-12, further verified that CERT is required for chlamydial biogenesis and, in a species-specific manner, interferes with various aspects of chlamydial infections. To elucidate the biological relevance of Golgi fragmentation and CERT for sphingolipid acquisition and bacterial infectivity, the sphingolipid composition of infectious chlamydial particles was determined by mass spectrometry. Here, for the first time, a comprehensive description of the sphingolipid composition of infectious EBs revealed characteristics for human and zoonotic Chlamydia spp. In sum, this study shows that Golgi fragmentation in human cells is a hallmark of human and zoonotic chlamydial infections. However, phenotypes of Golgi fragmentation are species-specific. Along with this, bacteria interact with Golgi-dependent vesicular and non-vesicular transport routes in a species-specific manner. CERT-dependent ceramide transport is essential for the development of both chlamydial species. These results, together with quantitative sphingolipid analyses foster our knowledge of the pathogen’s repertoire to exploit host sphingolipid trafficking and emphasize the emerging role of sphingolipids as targets for novel antichlamydial interventions.

Chlamydien sind gram-negative, obligat intrazelluläre Bakterien, die verschiedene Krankheiten in Menschen und Tieren auslösen. Um sich in der so genannten Inklusion, einem membranumschlossenen Kompartiment zu vermehren, nutzen Chlamydien unterschiedliche Wirtszellprozesse, die für den Nährstofftransport, im Besonderen von Sphingolipiden, verantwortlich sind. Der humanpathogene Erreger C. trachomatis induziert die Fragmentierung des Golgi Apparats, rekrutiert kleine Golgi Stapel und sichert somit die Versorgung mit Sphingolipiden. Die Fragmentierung des Golgi Apparats soll dabei durch eine chlamydienabhängige Spaltung von golgin-84 ausgelöst werden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass golgin-84, ein wichtiges Strukturprotein des Golgi Apparates und Regulierer des retrograden Transports, an die Inklusion von C. trachomatis rekrutiert wird. In lebenden Zellen konnte zudem durch Überexpression einer doppelt markierten golgin-84-Mutante eine mögliche Spaltung dieses Proteins gezeigt werden. Diese Daten deuten darauf hin, dass golgin-84 die Aufnahme besonders nährstoffreicher golgin-84-positiver Strukturen zu verbessert und dabei möglicherweise der bakteriellen Entwicklung dient. Weiterhin zeitgt diese Studie, dass sogar der zoonotische Erreger C. psittaci eine Umorganisation des Golgi Apparats humaner Zellen auslöst. Der Phänotyp und die Verteilung der Golgi Elemente unterscheiden sich jedoch in Infektionen mit C. trachomatis oder C. psittaci. Auch die Interaktionen zwischen Bakterien und Struktur- und Transportproteinen des Golgi Apparats, erwiesen sich als artspezifisch. Dabei schien C. psittaci nur wenige vesikuläre Transportwege auszunutzen, wohingegen beide Bakterienarten mit dem nicht-vesikulären Ceramidtransport durch CERT interagierten. Dass CERT für die chlamydiale Entwicklung essentiell ist und mehrere Aspekte der Infektion in artspezifischer Weise beeinflusst, wurde durch Inhibitionsstudien mit dem Ceramidanalogon HPA-12 bestätigt. Um die Bedeutung von Golgi Fragmentierung und CERT für Chlamydien zu ermitteln, wurde die Sphingolipidzusammensetzung infektiöser Partikel mittels Massenspektrometrie bestimmt. Diese umfangreiche Analyse zeigte zum ersten Mal eine artspezifische Verteilung von Sphingolipiden im humanen und im zoonotischen Erreger. Insgesamt zeigt diese Studie, dass eine Golgi Fragmentierung in humanen Zellen sowohl die humane als auch die zoonotische Chlamydieninfektion kennzeichnet wobei die Phänotypen der Fragmentierung für die jeweilige Chlamydienart spezifisch sind. Auch die Interaktion mit vesikulären und nicht-vesikulären Transportwegen des Golgi Apparats erfolgt artspezifisch. Dabei hängt die bakterielle Entwicklung stark von der Interaktion mit CERT ab. Diese Daten, ergänzt durch quantitative Sphnigolipidanalysen, erweitern unser Wissen über chlamydiale Interaktionsmechanismen und betonen die aufsteigende Bedeutung von Sphingolipiden als Ansatzpunkt zur Entwicklung antichlamydialer Wirkstoffe.