D.discoideum as a model for host-pathogen interaction: Phagosomal proteome of Legionella-infected cells

Shevchuk, Olga

Legionella pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, vermehrt sich intrazellulär in spezialisierten Phagosomen humaner Makrophagen oder Protozoen wie Dictyostelium discoideum. Verschiedene zelluläre und molekulare Untersuchungen, beispielsweise die transkriptionelle Wirtszellantwort während der Infektion, zeigten, dass die Umprogrammierung der Phagosomenreifung notwendig für die Legionella-Replikation ist. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir eine neue Methode etabliert, welche die Isolierung und anschließende detaillierte Charakterisierung der Proteine aus Legionella-haltigen Phagosomen ermöglicht. Die isolierten phagosomalen Proteine wurden mit Hilfe von MALDI-TOF-MS analysiert. In dieser ersten umfassenden Proteomanalyse eines pathogenhaltigen Phagosoms wurden 157 verschiedene Proteine identifiziert. Neben Proteinen mit wichtigen Funktionen in der Phagosomenreifung fanden wir Proteine, deren Funktion im Phagosom bisher unbekannt ist. Wir erörtern mögliche Interaktionen des Coronins mit zytosolischen NADPH-Oxidase-Komponenten und Proteinase C-Inhibitoren, die gemeinsam zu einer Inhibierung phagosomaler Superoxide führen können. Vergleichende Proteomanalysen von Phagosomen mit pathogenen L. pneumophila Corby und schwach-pathogenen L. hackeliae Stämmen ließen spezielle Unterschiede erkennen. Zum Beispiel wiesen Phagosomen mit L. hackeliae einen höheren Gehalt von RhoGDI auf als Phagosomen mit L. pneumophila Corby. In kinetischen Analysen der Phagosomenreifung zeigen wir komplexe Veränderungen der Komposition phagosomaler Proteine. Unsere Daten deuten auf bisher unbekannte Konsequenzen einer Infektion für die Wirtszellphysiologie hin. Wir konnten im Falle einer Infektion mit L. pneumophila die Degradation von Phagosom-assoziiertem Aktin feststellen. Diese Degradation und die Aktivität des Cystein Proteinase Inhibitors könnten zur Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts führen und die Fusion der pathogenhaltigen Phagosomen mit den ansäuernden Organellen verhindern.

Legionella pneumophila, the agent of Legionnaires´ disease, replicates intracellularly within specialized phagosomes of human macrophages and protozoa such as Dictyostelium discoideum. Different cellular and molecular approaches including the transcriptional host cell response upon infection have shown that the reprogramming of phagosome maturation is required for Legionella replication. In this study we have developed a protocol for the isolation of Legionella-containing phagosomes from D. discoideum. Cell fractionation, two-dimensional gel electrophoresis and MALDI-TOF MS combined with genomic data identified 157 phagosome host proteins. This is the first proteomic analysis for any pathogen-containing phagosome. In addition to proteins with an evident role in phagosome maturation we identified proteins for which a link to phagosome activities remains to be established. Possible interactions of coronin with cytosolic NADPH oxidase components and protein kinase C inhibitors which together may lead to an inhibition of phagosomal superoxide generation are discussed. Comparative proteomics of phagosomes containing highly virulent L. pneumophila Corby versus less virulent L. hackeliae revealed distinctive protein expression patterns, e.g., an abundance of RhoGDI in L. hackeliae degrading phagosomes versus little RhoGDI in L. pneumophila Corby replicative phagosomes. We present a kinetic dissection of phagosome maturation including the complex alterations of the phagosome protein composition. A reference flow chart suggests so far unrecognized consequences of infection for host cell physiology, actin degradation on phagosomes and a putative cysteine proteinase inhibitor interference with lysosomal enzyme sorting and activation processes.

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Shevchuk, Olga: D.discoideum as a model for host-pathogen interaction: Phagosomal proteome of Legionella-infected cells. 2008.

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