Ubiquitin and ubiquitin-like host modifications in Listeria monocytogenes infection

Kummer, Anne

Ubiquitin (Ub) and Ubiquitin-like modifiers are posttranslational modifications involved in many cellular processes. Deubiquitination is controlled by deconjugating enzymes (DUBs). Listeria monocytogenes (Lm) is a widely used model organism. Lm invades cells by utilizing the receptor-tyrosine kinase c-Met activated by the listerial factor Internalin B (InlB). However, the role of ubiquitination and DUBs during Lm invasion and infection is not well defined. Moreover, Listeriosis is a health concern as it can cause life-threatening symptoms like sepsis and encephalitis. Sepsis is characterized by rapid progression and high mortality. Thus, the major challenge in sepsis-related research is the identification of biomarkers for correct diagnosis as well as prognosis of progression. Chemical proteomics provides small, covalently binding, activity-based probes (ABPs) based on ubiquitin. These tools enable systematic detection and enrichment of DUBs. The present study aims to answer the following research questions: Firtsly, are ubiquitination and DUB-activities involved in InlB/c-Met mediated cell invasion of Listeria? Secondly, does Lm infection deregulate Ub-mediated processes and DUB-activities in vivo? Thirdly, can DUB activities serve as molecular biomarkers for the diagnosis and prognosis of sepsis? On a cellular level, two novel DUB candidates were defined using specifically developed ABPs. Both DUBs might be involved directly in cell invasion of Lm but in any case contributes to our understanding of physiological c-Met signaling. The time-resolved proteome of livers from a sub-lethal murine listeriosis model allowed quantification of 3666 proteins, of which 14 % were regulated during the course of infection. The results highlighted the influence of Lm infection onto the host physiology, especially the hepatic drug-metabolizing enzymes. Furthermore, both candidate Ub-ligases and DUBs were established as putative regulators of immune-signaling in Lm infection. DUB-activity patterns in general could not be established as biomarkers for sepsis diagnosis or progression due to the small numbers of samples from ICU-patients. However, a theoretical approach of DUB assignment aided by mass spectrometry suggested 6 DUB-candidates, which might harness predictive power. In summary, this study contributed to the understanding of DUB-activities involved in Lm invasion and infection especially by utilizing ABPs at different levels of complexity.

Ubiquitin (Ub) und Ubiquitin-ähnliche Proteine sind als posttranslationale Modifikationen an vielen zellulären Prozessen beteiligt. Die Deubiquitinierung wird durch dekonjugierende Enzyme (DUBs) durchgeführt. Listeria monocytogenes (Lm) ist ein häufig genutzter Modellorganismus. Listerien dringen durch die Rezeptorkinase c-Met, aktiviert von listeriellem Internalin B (InlB), in Zellen ein. Die Rolle von Ubiquitinierung und DUBs während der Invasion und Infektion ist bisher nur unvollständig beschrieben. Eine durch Lm ausgelöste Listeriose kann lebensgefährliche Symptome wie Sepsis und Enzephalitis hervorrufen. Sepsis ist gekennzeichnet durch eine hohe Sterblichkeit und schnelles Fortschreiten. Deshalb ist die Biomarker-Suche zur Diagnose und Prognose ein Ziel der Forschung. Die chemische Proteomik stellt aktivitätsbasierte Sonden (ABPs) zur Verfügung, die die Struktur von Ubiquitin nachahmen. Damit ist es möglich, DUBs systematisch zu detektieren und anzureichern. Die vorliegende Studie will die folgenden Fragen beantworten: 1. Spielen Ub und DUB-Aktivität eine Rolle in der InlB/c-Met vermittelten Zellinvasion? 2. Dereguliert eine Lm-Infektion Ub-vermittelte Prozesse und DUB-Aktivitäten in vivo? 3. Können DUB-Aktivitäten als molekulare Biomarker zur Diagnose oder Prognose von Sepsis dienen? Auf Zellebene konnten zwei DUB-Kandidaten mit Hilfe von speziell hergestellten ABPs bestimmt werden. Beide könnten in der Zellinvasion ein Rolle spielen, sind aber in jedem Fall eine wertvolle Ergänzung für das Verständnis der physiologischen Signaltransduktion von c-Met. Das zeitaufgelöste Proteom von Lebern aus einem sub-letalen Maus-Listeriose-Modell führte zur Quantifizierung von 3666 Proteinen, von denen 14 % im Laufe der Infektion reguliert waren. Die Ergebnisse unterstreichen den Einfluss der Infektion auf die Wirtsphysiologie und besonders den hepatischen Medikamentenstoffwechsel. Außerdem konnten Ub-Ligase und DUB-Kandidaten als mögliche Regulatoren der immunologischen Antwort auf Lm bestimmt werden. Aktivitätsprofile von DUBs aus Proben von ICU-Patienten konnten nicht als Biomarker etabliert werden. Eine theoretische, durch Massenspektrometrie unterstützte DUB-Zuordnung führte jedoch zu 6 Kandidaten, die wahrscheinlich eine gewisse Vorhersagekraft besitzen. Zusammenfassend hat diese Studie auf verschiedenen Ebenen dazu beigetragen, den Einfluss von DUB-Aktivitäten in listeriellen Infektionen sowie der Zellinvasion mit Hilfe von ABPs besser zu charakterisieren.

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Kummer, Anne: Ubiquitin and ubiquitin-like host modifications in Listeria monocytogenes infection.

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