Functional analysis of outer membrane vesicles shed by Legionella pneumophila

Jäger, Jens

Das Gram-negative Bakterium Legionella pneumophila löst beim Menschen die Legionärskrankheit aus, eine schwere Pneumonie. Das Bakterium repliziert in Amöben oder menschlichen Phagozyten. Es schnürt kontinuierlich Vesikel von seiner Oberfläche ab, die aus Außenmembran- und Periplasma-Komponenten bestehen. Das L. pneumophila-OMV-Proteom wurde bereits untersucht, die Rolle während einer Infektion ist unbekannt. Mit biophysikalischen Methoden wurde die subzelluläre Funktion der OMVs untersucht. Förster-Resonanzenergietransfer- und Infrarotspektroskopie zeigten den Einbau von OMV-Komponenten in Membranen in vitro, v.a. in Phosphatidylserin-haltige Membranen. Hieraus entstand eine Mischphase aus Bakterien- und Wirts-Lipiden mit einer höheren Phasenübergangstemperatur als die Ausgangsliposomen. Die Fusion von L. pneumophila-OMVs und Membranen führt potenziell zur Ausschüttung bakterieller Faktoren in die Wirtszelle oder in die Zielmembran selbst. Die Rolle von L. pneumophila-OMVs während Infektionen wurde mit einem neuartigen Modell aus lebendem menschlichem Lungengewebe weiter untersucht. Im Kontrast zu bisherigen Modellen beinhaltet dieses alle Komponenten der Lunge und spiegelt so die in vivo-Situation wider. L. pneumophila replizierte in Wirtszellen und band an die Alveolaroberfläche und an Makrophagen, wohingegen OMVs spezifisch an Makrophagen lokalisierten. Das Modell wies nach Infektion mit L. pneumophila spezifische Gewebsschäden auf, u.a. an Bindegewebe und Epithelien. Außerdem erlaubt es die transkriptionelle Untersuchung des infizierten Gewebes, wodurch Uteroglobin und MARCO als potenzielle Wirtsfaktoren während L. pneumophila-Infektionen identifiziert wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen neue Aspekte der Interaktionen zwischen L. pneumophila und dem Menschen sowie den Mechanismus der OMV-Fusion. Mit Hilfe des Gewebsmodells können neue Virulenzfaktoren und Wirtsproteine identifiziert werden, die wichtige Rollen während Infektionen mit L. pneumophila spielen.

The Gram-negative bacterium Legionella pneumophila causes Legionnaires’ disease, a severe pneumonia. The bacterium replicates in amoebae and human phagocytes. It constantly sheds vesicles from its outer membrane consisting of material from the outer membrane and the periplasm. While the protein composition of L. pneumophila OMVs was characterized previously, their role during infections remained elusive. Biophysical methods were applied to describe their function on the subcellular level. The association of OMVs with membranes in vitro was studied using Förster resonance energy transfer and infrared spectroscopy. Both methods revealed the incorporation of OMV components into target membranes with a preference for phosphatidylserine. This resulted in a mixed phase of bacterial and host lipids with a higher phase transition temperature than the initial liposomes. Fusions of L. pneumophila OMVs and membranes potentially deliver bacterial factors into the host cell and into the target membrane itself. The role of L. pneumophila OMVs during infections was further elucidated with a novel infection model comprising living human lung tissue. In contrast to current models, it contains all components of the human lung, thus mirroring the situation in vivo. L. pneumophila replicated within host cells and could be detected on the alveolar lining as well as on and in macrophages, while OMVs specifically localize to macrophages. The model sheds light on the specific damage to lung components, including connective tissue and epithelia. Moreover, it allows for the transcriptional analysis of the infected tissue, thereby identifying uteroglobin and MARCO as potential new host factors involved in L. pneumophila virulence. The results from this work reveal new aspects about interactions between L. pneumophila and humans as well as the mechanism of OMV fusion. The lung explant model will enable to identify new virulence factors and host components crucial in L. pneumophila infections.

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Jäger, Jens: Functional analysis of outer membrane vesicles shed by Legionella pneumophila. 2013.

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