EXTRA- UND INTRAZELLULÄRE MUSTERERKENNENDE REZEPTOREN IN DER ANGEBORENEN IMMUNANTWORT

Abstract

Das angeborene Immunsystem stellt die erste Instanz zur Abwehr einer Infektion dar. Es erkennt eindringende Pathogene mit Hilfe von keimbahnkodierten mustererkennenden Rezeptoren (pattern recognition receptors, PRRs). Hierzu gehören die relative gut untersuchten, transmembranären Toll-like Rezeptoren (TLRs) und die kürzlich entdeckten, intrazellulär lokalisierten NOD-like Rezeptoren (NLRs), RIG-like Rezeptoren (RLRs) sowie möglicherweise das Z-DNA- bindende Protein (ZBP1/DAI). PRRs erkennen hoch konservierte mikrobielle Moleküle, sogenannte Pathogen-assoziierte molekulare Muster (pathogen- associated molecular patterns, PAMPs). Die TLRs, NLRs, RLRs und möglicherweise ZBP1 regulieren nach Aktivierung z.B. eine NF-kappaB-abhängige und/oder IRF- abhängige Genexpression, steuern posttranskriptionelle Regulationsmechanismen und/oder aktivieren angeborene intrazelluläre Resistenzmechanismen gegenüber intrazellulären Mikroorganismen. Die Zielsetzung der Arbeit war es, die Bedeutung dieser Rezeptoren für die Erkennung von isolierten PAMPs, wie z.B Lipoteichonsäuren, sowie von Infektionen mit intakten, extrazellulären und intrazellulären Pathogenen in unterschiedlichen Wirtszellen zu untersuchen. Darüber hinaus sollten die Signaltransduktionskaskaden einiger PRRs sowie der Einfluss der PRRs auf intrazelluläre Resistenzmechanismen weiterführend charakterisiert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass hoch aufgereinigte Lipoteichonsäuren von Staphylococcus aureus und Bacillus subtilis sowie verwandte Glykolipide von Treponema brennaborense und T. maltophilum spezifisch TLR2 aktivieren. In Lungenepithelzellen wird Streptococcus pneumoniae von TLR2 und TLR1 erkannt und induziert eine NF- kappaB-regulierte Genexpression. Invasive Pneumokokken können darüber hinaus auch durch das intrazelluläre NLR-Molekül NOD2 detektiert werden. Während Rip2, IRAK1, TAK1 und TAB2 positiv zur NOD2-abhängigen NF-kappaB-Aktivierung beitrugen, wurde NOD2 durch beta-PIX und Rac1 negativ reguliert. Hierbei vermittelten beta-PIX und Rac1 eine Translokation von NOD2 an den an der Plasmamembran lokalisierten negativen NOD2-Regulator Erbin. Moraxella catarrhalis, dessen Invasion in Lungenepithelzellen hier erstmals gezeigt werden konnte, wurde von diesen Wirtszellen über TLR2- und teilweise über NOD1 erkannt. Die obligat bzw. fakultativ intrazellulären Bakterien Chlamydophila pneumoniae und Listeria monozytogenes, nicht aber extrazelluläre L. innocua, wurden v.a. durch NOD1 in Endothelzellen erkannt. Sie aktivierten NOD1-, NF- kappaB- und p38-abhängig eine IL-8-Produktion. Im Gegensatz zur v.a. NF- kappaB-regulierten IL-8-Produktion bei bakteriellen Infektionen war die IFNbeta-Produktion in Influenza A-Virus-infizierten Lungenepithelzellen abhängig von dem RLR-Molekül RIG-I, von dem Adaptermolekül IPS-1 sowie von dem Transkriptionsfaktor IRF3. Andererseits exprimierten Influenzaviren das NS1-Protein, welches die Produktion des antiviral wirkenden IFNbeta, wahrscheinlich über die Bindung und Hemmung von RIG-I/IPS-1, unterdrückte. Mit Legionella pneumophila infizierte Lungenepithelzellen produzierten RLR-, NOD1/2-, TLR-, und ZBP1-unabhängig, aber IPS-1- und IRF3-abhängig ebenfalls IFNbeta. Dieser IPS-1-IRF3-Signalweg bzw. die hierdurch gesteuerte IFNbeta- Produktion sowie dazugegebenes IFNbeta bewirkten eine Restriktion der intrazellulären Vermehrung von L. pneumophila. Ein zweiter, IFNbeta- unabhängiger, intrazellulärer Resistenzmechanismus gegenüber L. pneumophila in Lungenepithelzellen und Alveolarmakrophagen wurde durch die NLR-Moleküle NAIP und Ipaf nach Erkennung von Legionellen-Flagellin gesteuert. Zusammengenommen konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Wirtszellen, wie z.B. Lungenepithelzellen, Endothelzellen und Makrophagen, über transmembranäre und zytosolische PRRs verfügen, mit denen sie extrazelluläre und intrazelluläre Pathogene erkennen können. Diese Pathogenerkennung steuert nachfolgend sowohl eine differenzierte inflammatorische Genexpression als auch zellautonome angeborenen Abwehrmechanismen gegenüber eindringenden Pathogenen.

The innate immune system represents the principal sensor of infections in multicellular organisms. It recognizes invading pathogens by using germ-line encoded pattern recognition receptors (PRRs) such as the well examined, transmembrane Toll-like receptors (TLRs), as well as the recently found intracellular NOD-like receptors (NLRs) and RIG-like receptors (RLRs). PRRs detect highly conserved microbial molecules, the so-called pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), and might also mediate responses to some endogenous danger-associated molecular patterns (DAMPs). Recognition of pathogens by TLRs, NLRs, RLRs and perhaps ZBP1 activates either a NF-kappaB- dependent and/or IRF-dependent gene expression, mediates posttranscriptional gene regulation and/or activates innate intracellular resistance mechanisms against intracellular microbes. Here we showed that purified lipoteichoic acids from Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis, related glycolipids from Treponema brennaborense and T. maltophilum, as well as Streptococcus pneumoniae were recognized by TLR2 or TLR1/2, respectively, and activated a NF-kappaB-dependent gene expression. Invasive pneumococci were additionally detected by the NLR molecule NOD2 which led to NF-kappaB activation. While Rip2, IRAK1, TAK1 and TAB2 positively contributed to the NOD2-dependent NF- kappaB activation, beta-PIX und Rac1 were involved in negative regulation of NOD2 by mediating NOD2´s trafficking to its negative regulator Erbin at the plasma membrane. Moraxella catarrhalis, which was for the first time shown to invade lung epithelial cells, was detected by lung epithelial TLR2 and -to a lesser extent- by NOD1. The obligate or facultative intracellular bacteria Chlamydophila pneumoniae and Listeria monocytogenes, respectively, but not the extracellular L. innocua were detected by NOD1 in endothelial cells and activated a NF-kappaB- and p38-dependent IL-8 production. In contrast to the primarily NF-kappaB-regulated IL-8 production in bacterial infections, the IFNbeta production in influenza A virus-infected lung epithelial cells was dependent on the RLR molecule RIG-I, the adapter IPS-1 as well as the transcription factor IRF3. In addition, we showed that the viral NS1 protein was capable of inhibiting the RIG-I-induced signaling, a mechanism which corresponded to the observation that only NS1-deficient but not the wild-type virus induced high-level production of IFNbeta. Legionella pneumophila- infected lung epithelial cells produced a RLR-, NOD1/2-, TLR-, and ZBP1-independent, but IPS-1- and IRF3-dependent IFNbeta expression. The IPS-1-IRF3 signaling leading to IFNbeta production or added IFNbeta led to Legionella growth restriction within lung epithelial cells. A second, IFNbeta- independent intracellular innate resistance mechanism to L. pneumophila in lung epithelial cells and alveolar macrophages was mediated by the NLRs NAIP and Ipaf which detected Legionella flagellin. Overall, host cells including lung epithelial and endothelial cells as well as macrophages were equipped with transmembrane and cytosolic PRRs which detect extracellular and intracellular pathogens, and which mediate a differentiated inflammatory gene expression as well as cell-autonomous innate defense to invading pathogens.