Exponierung von Epitopen bakterieller Lipopolysaccharide und ihrer Aggregate

Abstract

Die bakteriellen Lipopolysaccharide (LPS, Endotoxine) sind Auslöser der häufig tödlich endenden Gram-negativen Sepsis. In der vorliegenden Arbeit wurde an Hand von computergenerierten LPS-Modellen die Zugänglichkeit der Oberflächenstrukturen von LPS-Monoschichten für LPS-bindende Moleküle untersucht.

Unter Einbeziehung von experimentellen Daten und publizierten Molekülmodellen wurden Modelle für das ReLPS von E. coli F515, das Rc-LPS der J5-Mutante von E. coli O111:B4 und das Genus-spezifische LPS von Chlamydia erzeugt und optimiert. Die LPS-Monomere wurden zu Monoschicht-Packungen aus vier bis sechzehn Molekülen zusammengelagert und anschließend Molekulardynamik- Simulationen mit CHARMm unterzogen. Aus den Trajektorien wurde die exponierte Oberfläche einzelner Bestandteile des LPS berechnet.

Neben Rechnungen im Vakuum wurden auch Simulationen unter Einbeziehung von Wassermolekülen und Natrium- und Calcium-Kationen durchgeführt.

Wo immer es möglich war, wurden die MD-Simulationen mit experimentellen Daten verglichen, um die Validität der Modelle zu gewährleisten: Sowohl das Diffusionsverhalten der Wassermoleküle als auch die Rigidifizierung des LPS- Monolayers durch Kationen entspricht experimentellen Beobachtungen.

Der Verlauf des NMR-Ordnungsparameters SCD und der niedrige Anteil an gauche- Torsionen sind Ausdruck des auch experimentell beobachteten hohen Ordnungsgrades der LPS-Fettsäuren.

Die untersuchten LPS-Strukturen exponieren konformationelle Epitope, so daß alleine aus der Kernzuckersequenz nicht vorhergesagt werden kann, welche Bereiche des LPS von der Membranoberfläche her zugänglich sind.

Die Kreuzreaktion von Antikörpern gegen E. coli J5-LPS und S. minnesota R5-LPS kann mit der Bildung solcher konformationeller Epitope erklärt werden.

Die Lipid A-Komponente des LPS wird in den Monolayern durch den LPS- Kernzuckerbereich fast vollständig verdeckt und kann in intakten LPS- Monoschichten von außen nicht erkannt werden.

Bacterial lipopolysaccharides (LPS, endotoxin) are the causative agent of Gram-negative septicemia frequently leading to death. In the present work, the accessibility of surface structures of LPS-monolayers to LPS-binding molecules was investigated using molecular modelling methods.

Based on experimental data and published molecular models, models of the ReLPS of E. coli F515, RcLPS of the J5-mutant of E. coli O111:B4 and the genus- specific LPS of Chlamydia were generated and optimised. LPS monomers were assembled to build monolayers consisting of four to sixteen molecules and subsequently investigated by molecular dynamics simulations (MD) using CHARMm. From the trajectories, the exposed surface of the different components of the LPS molecules was calculated.

In addition to calculations carried out in vacuo, other simulations included explicitly modelled water molecules, sodium and calcium ions.

Wherever possible, MD simulations were compared to experimental data to ensure the validity of the models: the diffusion coefficient of water molecules as well as the rigidification of LPS-monolayers induced by cations agrees with experimental observations.

The profile of the NMR-order parameter SCD and the low percentage of gauche torsions indicate a high state of order of the lipopolysaccharide acyl chains which is observed experimentally as well.

The LPS structures investigated expose conformational epitopes hindering the prediction of areas of the LPS molecules which are accessible from the membrane plane from the sequence of core sugar residues.

The cross reaction of antibodies directed against the LPS of E. coli J5 and S. minnesota R5 can be explained by the formation of conformational epitopes.

The lipid A component of LPS is almost completely covered by LPS core sugar structures and is not accessible in intact LPS monolayers.