Influence of virulence-associated genes of M. bovis BCG on the interaction with host cells

Abstract

In 1993, WHO declared tuberculosis a global health emergency. The reasons for this decision are the high infection rate as well as problems associated with the healing of tuberculosis. M. tuberculosis is able to survive in an intact immune system over decades and can be reactivated under certain conditions. The lengthy treatment and the appearance of multidrug resistant and extensively drug-resistant tuberculosis strains complicate the healing process. This makes it even more important to find genes in M. tuberculosis allowing the survival in the human body and to understand their influence on the interaction with the immune cells. Against this background, two genes of M. bovis BCG were investigated whose regulation in M. tuberculosis suggested a potential influence on the course of infection. By site-directed mutagenesis, over-expression or antisense-technique new strains of M. bovis BCG were generated in which either the gene rv2626c was over-expressed or deleted or the gene for the “mycobacterial DNA binding protein 1“ (MDP1) was down- regulated. These strains were used for in vitro experiments in which aspects of the natural infection were simulated. The present work dealt with investigations using human-derived primary cells, a mouse cell line and a mouse model. It was shown that both genes possess virulence-associates capabilities. The secretory protein Rv2626c interferes massively in the cytokine expression of human PBMCs, up-regulating IL-1β, TNF-α, and IL-10 and down-regulating IL-8. It reduces the amount of secreted nitric oxide in a mouse cell line and increases the fusion of human macrophages. On the other hand the deletion of Rv2626c improves the increased survivability in Balb/c mice. The down-regulation of mdp1 is probably responsible for modifications of the mycobacterial cell wall which is accountable for the down-regulation of IL-1β and nitric oxide, the decreased survivability in human macrophages and the increased fusion of human macrophages. Further trials are needed to find out whether Rv2626c and MDP1 are qualified for new therapeutic approaches or not.

Tuberkulose wurde 1993 von der WHO zu einem globalen Gesundheitsproblem erklärt. Gründe hierfür sind die hohe Infektionsrate sowie Schwierigkeiten bei der Behandlung von Tuberkulose. M. tuberculosis gelingt es über Jahrzehnte in einem intakten Immunsystem zu überleben und unter bestimmten Bedingungen wieder reaktiviert zu werden. Die langwierige Behandlung und das Auftreten von multiresistenten und extrem resistenten Stämmen erschweren zudem die Bekämpfung der Tuberkulose. Umso wichtiger ist es Gene zu finden die M. tuberculosis das Überleben im menschlichen Körper ermöglichen und zu verstehen, wie sie die Interaktion mit Zellen des Immunsystems beeinflussen. Vor diesem Hintergrund wurden zwei Gene von M. bovis BCG untersucht, deren Regulation in M. tuberculosis einen möglichen Einfluss auf den Infektionsverlauf nahelegten. Mittels gezielter Mutagenese, Überexprimierung oder Antisense Technik wurden neue M. bovis BCG Stämme erzeugt, in denen das Gen rv2626c überexprimiert bzw. deletiert oder im Fall des “mycobacterial DNA binding protein 1“ (MDP1) herabreguliert wurde. Mit diesen Stämmen wurden in vitro Versuche durchgeführt in denen bestimmte Aspekte der natürlichen Infektion simuliert wurden. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen mit humanen Primärzellen, einer Mauszelllinie und einem Mausmodell haben gezeigt, dass beide Gene über virulenzassoziierte Eigenschaften verfügen. So greift das sekretierte Protein Rv2626c massiv in die Zytokinexpression humaner PBMCs ein, indem es IL-1β, TNF-α, IL-10 hoch- und IL-8 herabreguliert, Stickstoffoxid in einer Mauszelllinie herabreguliert und die Fusion humaner Makrophagen fördert. Auf der anderen Seite führt die Deletion des Gens zu einer verbesserten Überlebensfähigkeit in Balb/c Mäusen. Die Herabregulierung von mdp1 wirkt sich wahrscheinlich auf eine Weise auf die Zellwandstruktur aus, die zu einer Herabregulierung von IL-1β und Stickstoffoxid führt, das intrazelluläre Überleben in humanen Makrophagen vermindert und die Fusion von humanen Makrophagen fördert. Weiterführende Versuche müssen zeigen ob die Rv2626c und MDP1 für die Entwicklung neuer Therapieansätze geeignet sind oder nicht.