Structural an functional investigation of pathogenicity factors form Listeria monocytogenes and Yersinia enterocolitica: Involvement in pathogenesis, cellular up-take and cytoskeletal rearrangement
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um zu verstehen, wie bakterielle Krankheitserreger menschliche Zellen gezielt beeinflussen können, haben wir sog. Virulenzfaktoren untersucht. Es handelt sich dabei um Proteine, die entscheidend für die Pathogenität sind und die sich nur in den Krankheitserregern, nicht aber in nah verwandten nicht-pathogenen Bakterienstämmen finden. Im Rahmen dieses Projekts haben wir voneinander unabhängig Virulenzfaktoren aus zwei verschiedenen bakteriellen Pathogenen mit Hilfe der Röntgenkristallographie charakterisiert. Diese Methode ermöglicht es, die dreidimensionale Struktur von Proteinen, also die Anordnung all ihrer Atome im Raum, zu bestimmen. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Proteinfunktion ziehen. Zum einen haben wir zwei Proteine aus "Yersinia enterocolitica", Bakterien die mit dem Pesterreger "Y. pestis" verwandt aber deutlich harmloser sind, untersucht. Yersinien verfügen über ein Typ III Sekretionssystem, eine Art "molekulare Spritze", mit der sie Effektorproteine direkt in menschliche Zellen injizieren können, um so die Wirtszelle zu ihren Gunsten zu beeinflussen. Damit das Typ III Sekretionssystem erkennt, welche bakteriellen Proteine es durch die Injektionsnadel transportieren soll, sind für die meisten Transportsubstrate kleine Helferproteine, sog. Chaperone, erforderlich. Wir haben die Raumstruktur von zwei dieser Chaperone aufgeklärt. Die beiden Chaperone binden unterschiedliche Klassen von Transportsubstraten. Es handelt sich einerseits um Proteine, die eine Pore in der Wirtszellmembran bilden und andererseits um sog. Effektoren, die durch diese Pore in die menschlichen Zellen gelangen. Entsprechend unterscheiden sich die 3D-Strukturen der beiden Chaperone grundsätzlich voneinander. Unsere Strukturen geben Hinweise darauf, wie die Chaperone ihre Substrate jeweils binden, und erlauben es, diese Hypothesen durch gezielte Mutationen zu testen. Daneben haben wir die Struktur und die molekulare Funktion des Proteins InlB aus dem Lebensmittelkeim "Listeria monocytogenes" untersucht. Listerien können menschliche Zellen gezielt zur Aufnahme der Bakterien veranlassen, die dann im Zellinneren vor Antikörpern und anderen Angriffen des Immunsystems geschützt sind. Das Protein InlB fungiert dabei als molekularer Schlüssel, der passgenau das Rezeptorprotein MET des Menschen erkennt und dadurch die Aufnahme der Listerien in die Wirtszellen auslöst. Normalerweise funktioniert MET als Rezeptor für einen menschlichen Wachstumsfaktor, der in der Embryonalentwicklung die Teilung und die Wanderung von Zellen steuert. In Erwachsenen spielt die Aktivierung von MET in der Geweberegeneration (z.B. bei der Heilung von Hautwunden) und bei der Metastasierung von Tumoren eine Rolle. Wir haben die Raumstruktur eines Komplexes aus dem "Listeria" Invasionsprotein InlB und seinem menschlichen Rezeptor MET bestimmt. Diese Struktur zeigt, dass InlB eine andere Region auf MET erkennt als der menschliche Wachstumsfaktor, der MET aktiviert. Aus der Struktur des InlB/MET Komplexes konnten wir ein Modell für den molekularen Mechanismus der MET Aktivierung durch InlB ableiten. Das Modell sagt vorher, dass ein bestimmter Bereich auf der Oberfläche von InlB für die Aktivierung von MET notwendig ist, obwohl er den Rezeptor MET nicht direkt kontaktiert. Dieses Modell konnten wir durch eine gezielte Veränderung dieses Oberflächenbereichs bestätigen, indem wir eine InlB Variante erzeugten, die MET noch bindet, aber nicht mehr aktiviert. Umgekehrt konnten wir durch strukturbasiertes Protein Engineering eine andere Variante von InlB generieren, die um mehrere Größenordnungen aktiver war als unverändertes InlB. Diese besonders aktive InlB Variante aktiviert MET mindestens ebenso effektiv wie der menschliche Wachstumsfaktor. Dieses erfolgreiche Protein-Design ist aus zwei Gründen von Interesse. Zum einen bestätigt es noch einmal unser Modell für den Mechanismus der MET-Aktivierung durch InlB. Zum anderen bietet unser künstlich erzeugter MET-Aktivator eine Möglichkeit, MET zum Zwecke der Geweberegenration in Fällen zu aktivieren, in denen der menschliche Wachstumsfaktor versagt. Vorteile bietet InlB vor allem, weil es ein äußerst stabiles Molekül ist, das auch längere Zeit problemlos bei Bedingungen gelagert werden kann, bei denen der menschliche Wachstumsfaktor seine Aktivität verliert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Crystal structure of Yersinia enterocolitica type III secretion chaperone SycT. Protein Science, Vol. 14. 2005, Issue 8, pp. 1993–2002.
Büttner, C.R., Cornelis G.R., Heinz, D.W., Niemann H.H.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1110/ps.051474605) - Structure of the human receptor tyrosine kinase Met in complex with the Listeria invasion protein InlB. Cell, Vol. 130. 2007, Issue 2, pp. 235–246.
Niemann H.H., Jäger V., Butler P.J.G., van den Heuvel J., Schmidt S., Ferraris D., Gherardi E., Heinz D.W.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2007.05.037) - Structure of the Yersinia enterocolitica Type III Secretion Translocator Chaperone SycD. Journal of Molecular Biology, Vol. 375. 2008, Issue 4, pp. 997–1012.
Büttner C.R., Sorg I., Cornelis G.R., Heinz D.W., Niemann H.H.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.jmb.2007.11.009) - X-ray and neutron small-angle scattering analysis of the complex formed by the Met receptor and the Listeria monocytogenes invasion protein InlB. Journal of Molecular Biology, Vol. 377. 2008, Issue 2, pp. 489–500.
Niemann H.H., Petoukhov M.V., Härtlein M., Moulin M., Gherardi E., Timmins P., Heinz D.W., Svergun D.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.jmb.2008.01.027) - Ligand-Mediated Dimerization of the Met Receptor Tyrosine Kinase by the Bacterial Invasion Protein InlB. Journal of Molecular Biology, Vol. 395. 2010, Issue 3, pp. 522–532.
Ferraris D.M., Gherardi E., Di Y., Heinz D.W., Niemann H.H.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.jmb.2009.10.074) - Fold and function of the InlB B-repeat. Journal of Biological Chemistry, Vol. 286. 2011, pp. 15496-15506.
Ebbes M, Bleymüller W.M., Cernescu M., Nölker R., Brutschy B., Niemann H.H.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1074/jbc.M110.189951) - Structural insights into Met receptor activation. European Journal of Cell Biology, Vol. 90. 2011, Issue 11, pp. 972–981.
Niemann H.H.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.ejcb.2010.11.014) - Engineered variants of InlB with an additional leucine-rich repeat discriminate between physiologically relevant and packing contacts in crystal structures of the InlB:MET Complex. Protein Science, Vol. 21. 2012, Issue 10, pp. 1528–1539.
Niemann H.H., Gherardi E., Bleymüller W.M., Heinz D.W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pro.2142) - Structural basis of MET receptor dimerization by the bacterial invasion protein InlB and the HGF/SF splice variant NK1.
Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics,
Vol. 1834. 2013, Issue 10, pp. 2195–2204.
Niemann H.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2012.10.012) - Crystal structure of an engineered YopM-InlB hybrid protein.
BMC Structural Biology, Vol.14. 2014:12.
Breitsprecher D, Gherardi E, Bleymüller W.M., Niemann H.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1186/1472-6807-14-12)
