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Biologie


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Caroline Barisch, PhD

Zimmer 67/145
Telefon +49 (0)541 969 7232
caroline.barisch@uos.de

Molekulare Infektionsbiologie

Mykobakterien und Lipide

Tuberkulose (Tb) ist eine der tödlichsten Infektionskrankheiten der Welt. Sie wird durch das Bakterium Mycobacerium tuberculosis (Mtb) hervorgerufen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass im Jahr 2016 allein 1,6 Millionen Menschen an Tb gestorben sind und betont die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Medikamente, Impfstoffe und Diagnostika, um diese Belastung in der Zukunft zu verringern.

Es gibt immer mehr Belege dafür, dass pathogene Mykobakterien auf die Lipide ihres Wirtes angewiesen sind. Diese Abhängigkeit wird durch die Tatsache unterstrichen, dass Mykobakterien während der Infektion Fettsäuren, die aus den Trigylceriden und Sterolen der Wirtszelle freigesetzt werden, als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle verwenden. Die zentralen Mechanismen, mit denen pathogene Mykobakterien Wirtslipide ausbeuten, sind jedoch noch wenig erforscht.

Mein Labor verwendet das Dictyostelium discoideum/Mycobacterium marinum Infektionssystem, um die molekularen Mechanismen zu identifizieren, mit denen Mykobakterien Wirtslipide maniplulieren.

Während der Infektion erlangt M. marinum Dictyostelium-TAGs durch die Manipulation von Lipid Droplets (LDs).  Bereits kurz nach der Phagozytose der Bakterien werden die LDs zur Vakuole der Mykobakterien (MCV) transferiert, was schließlich zu einer Anreicherung von Neutrallipiden innerhalb der MCV und später zur Bildung von intrazytosolischen Lipideinschlüssen (ILIs) im Inneren von M. marinum führt (Abb. 1A und B). Allerdings ist die Akquisition von LDs nicht der einizge Weg, mit dem Wirtslipide zu vakuolaren Bakterien übertragen werden. Mittlerweile wissen wir, dass M. marinum außerdem in der Lage ist, die Phospholipide der Wirtszelle für sich zu nutzen.

Abbildung 1. ILI-Bildung in M. marinum während der Infektion. LDs werden an die MCV übertragen, was zur Akkumulation von ILIs in M. marinum (A) führt. ILIs, hier gefärbt mit Bodipy 493/503, entstehen, wenn Dictyostelium vor der Infektion in einem fettsäure-haltigem Medium kultiviert wurde (B). Bilder aus Barisch et al., 2015.

Charakterisierung des Lipidtransfers von Dictyostelium zu M. marinum

In meinem Labor werden wir mit Hilfe des Dictyostelium/Mycobacterium marinum Infektionsmodels systematisch die molekularen Mechanismen identifizieren, mit denen intrazelluläre Mykobakterien die Lipide der Wirtszelle ausbeuten um sie später für sich zu nutzen (Abb. 2).

Abbildung 2. Lipidtransfer von Dictyostelium zu M. marinum.

Neben den bisher identifizierten Lipidklassen (TAGs, Sterole und Phospholipide) werden von Mykobakterien wahrscheinlich noch andere Wirtszellenlipide wie Sphingolipide und Ceramide manipuliert. Die Lipide werden von intrazellulären Mykobakterien zur Energiegewinnung und -speicherung, aber auch als Bausteine für Membranlipide, die eine Rolle bei der Bakterienvirulenz spielen, verwendet (schwarzer Pfeil in Abb. 2).

Auf der anderen Seite sind Mykobakterien auch dafür bekannt, dass sie ihre eigenen Lipide mit dem Wirt teilen (roter Pfeil in Abb. 2).

Mit Hilfe von Stoffwechsel-Tracing-Analysen und massenspektrometrischer Lipidomik werden wir sowohl die Lipidströme zwischen Mykobakterien und ihrer Wirtszelle kartieren, als auch die Lipidklassen identifizieren, die von intrazellulären Mykobakterien ausgebeutet werden.

Darüber hinaus werden wir das Vorhandensein von Fettstoffwechselenzymen und Lipidtransferproteinen an der MCV und in unmittelbarer Nähe von zytosolischen Bakterien dokumentieren (Abb. 3).

Abbildung 3. Lokalisation von Lipid-synthetisierenden Enzymen während der Infektion. Dgat2-dekorierte LDs (grün) haften an zytosolischen Bakterien (rot). Aus Barisch und Soldati, 2017.

In Zukunft werden wir die Lipidströme vom Wirt zum Erreger mit Hilfe von genetischen und pharmazeutischen Tools inhibieren. Die Blockade des Lipidtransfers und deren Auswirkungen auf die Infektion werden wir mittels fluoreszierender und bifunktioneller Lipiden in lebenden Zellen analysieren  (Abb. 4).

Schließlich werden wir die Folgen der Inhibierung der Lipidversorgungswege in verschiedenen Stadien der Mykobakterieninfektion untersuchen. Zusammenfassend können diese Forschungsarbeiten zu neue therapeutischen Ansätzen zur Bekämpfung der Mykobakterieninfektion führen.

Videoclip (Französisch) im Radio Television Suisse: https://avisdexperts.ch/experts/caroline_barisch

Abbildung 4. Visualisierung der Lipiddynamik während der Infektion. Rechts unten: Schwankungen von PI(3,4,5)P3 / PI(3,4)P2 (grün) an der MCV von nicht-pathogenen Mykobakterien (rot). Links: Topfluor-LysoPC-markierte Wirtslipide (grün) werden in frühen Infektionsstadien zunächst an der Membran der MCV und in späteren Stadien in den Bakterien (rot) selbst sichtbar. Bild aus Barisch und Soldati, 2017. Mitte: Mit Hilfe von Dünnschichtchromatographie lässt sich nachweisen, dass M. marinum Fettsäuren, die aus Wirtsphospholipiden freigesetzt werden, in TAGs integriert. Bild aus Barisch und Soldati, 2017.

Ausgewählte Literatur

  • *Luscher A, *Fröhlich F, Barisch C, Littlewood C, Metcalfe J, Leuba F, Palma A, Pirruccello M, Cesareni G, Stagi M, Walther TC, Soldati T, De Camilli P and Swan LE (2019). Lowe syndrome-linked endocytic adaptors direct membrane cycling kinetics with OCRL in Dictyostelium discoideum. Mol Biol Cell.
  • Koliwer-Brandl H, Knobloch P, Barisch C, Welin A, Hanna N, Soldati T and Hilbi H (2019). Distinct Mycobacterium marinum phosphatases determine pathogen vacuole phosphoinositide pattern, phagosome maturation, and escape to the cytosol. Cell Microbiol.
  • López-Jiménez AT, Cardenal-Muñoz E, Leuba F, Gerstenmaier L, Barisch C, Hagedorn M, King JS and Soldati T. (2019). The ESCRT and autophagy machineries cooperate to repair ESX-1-dependent damage at the Mycobacterium-containing vacuole but have opposite impact on containing the infection. PLoS Pathog.
  • Barisch C and Soldati T. (2017) Breaking fat! How mycobacteria and other intracellular pathogens manipulate host lipid droplets. Biochimie. REVIEW.
  • Barisch C and Soldati T. (2017). Mycobacterium marinum Degrades Both Triacylglycerols and Phospholipids from Its Dictyostelium Host to Synthesise Its Own Triacylglycerols and Generate Lipid Inclusions. PLoS Pathog.
  • *Barisch C, *López-Jiménez AT and Soldati T. (2015). Live imaging of Mycobacterium marinum infection in Dictyostelium discoideum. Methods Mol Biol. BOOK CHAPTER.
  • Barisch C, Paschke P, Hagedorn M, Maniak M and Soldati T. (2015). Lipid droplet dynamics at early stages of Mycobacterium marinum infection in Dictyostelium. Cell Microbiol.
    (* gleichwertige Beiträge)