Pathogene Mikroorganismen

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1 Pathogene Mikroorganismen Die meisten Mikroorganismen sind für den Menschen harmlos oder sogar nützlich. Einige können aber durch Infektion oder die Bildung von Giftstoffen Schäden bis hin zum Tod verursachen. Im Laufe der Evolution haben sich bei den Opfern der Mikroorganismen immer bessere Abwehrmechanismen entwickelt, die vom Angreifer überwunden werden müssen. Pathogene Mikroorganismen Infektiöse Mikroorganismen unterscheiden sich von nichtinfektiösen daher in Fähigkeiten, die den Angriff ermöglichen. Diese speziellen Mechanismen und Zellkomponenten nennt man Virulenzfaktoren. Oft liegen ihre Gene eng benachbart - sie bilden eine Pathogenitätsinsel, oder sind auf einem Plasmid oder Prophagen codiert. Das erleichtert die Übertragung des kompletten Sets an Pathogenitätsfaktoren - und damit die Fähigkeit zur Virulenz. 1

2 Schutz- und Abwehrmechanismen Die intakte Hautschicht, teilweise kombiniert mit einer Schleimauflage (Schleimhäute) ist ein wirksamer Schutz. Wunden sind daher eine wichtige Eintrittspforte für Mikroorganismen. Im Magen, aber auch auf der Haut herrscht ein niedriger ph- Wert vor, der für viele Bakterien und Viren ungünstig wirkt. Auch die Besiedlung von Oberflächen (Haut, Darmtrakt) erschwert die Ansiedlung von Pathogenen. Im Körper wird die Konzentration an Eisenionen (trotz der großen vorhandenen Eisenmenge) durch sehr fest bindende Komplexe (Ferritin M) niedrig gehalten, was bakterielle Vermehrung verhindert. Schutz- und Abwehrmechanismen Zu den aktiven Abwehrmechanismen gehört die Produktion von Lysozym (z.b. in der Tränenflüssigkeit), das den Mureinsacculus perforiert. Im Körper nehmen Freßzellen (Makrophagen) Fremdkörper auf und verdauen sie. Wirksamste Abwehrwaffe ist das Immunsystem, das durch Produktion von Antikörpern eine Vielzahl von fremden molekularen Strukturen erkennen und verklumpen kann. Durch Gedächniszellen ist die Reaktion auf eine wiederholte Infektion schneller und stärker (Impfung). 2

3 Adhäsion und Penetration Erster Schritt zur Infektion ist meist das Anheften des Mikroorganismus an den Wirt. Das geschieht typischerweise gewebs- und wirtsspezifisch. Neisseria gonnorhoeae haftet besonders gut an urogenitalen Epithelien, Humanpathogene binden besser an menschliche als an Rattenzellen. Eine eher unspezifische Adhäsion wird durch Schleime und Kapseln bewirkt, klebrige Hüllen aus Polysacchariden (Karies-Erreger Streptococcus mutans). Diese Hüllen dienen wohl oft zugleich zum Schutz gegen Phagozytose. Adhäsion und Penetration Spezifisch binden Pili/Fimbrien durch ihre Adhäsine. Die pap-pili (Pyelonephritis associated Pili) enteropathogener E. colis tragen ein Lectin-artiges Adhäsionsmolekül, das an bestimmte Oligosaccharide bindet, die man an Oberflächenproteinen findet. Diese Pili klassifiziert man als CFA (Kolonisierungsfaktorantigene). Gern werden auch Proteine der extrazellulären Matrix (also zwischen den Zellen des Bindegewebes liegend) gebunden, wie Kollagen oder Fibronektin. 3

4 Adhäsion und Penetration Vibrio cholerae bindet durch Pili an Glycolipide der Darmmucosa-Zellen Adhäsion und Penetration Durch Oberflächenproteine bindet Neisseria gonorrhoeae besonders eng an Epithelzellen. 4

5 Adhäsion und Penetration Um tiefer in das dichte Bindegewebe einzudringen, werden Exoenzyme produziert. Diese lösen Zucker, Membranlipide und Proteine von Zellen und extrazellulärer Matrix. Blutgerinnung kann nützlich sein (Coagulase, Bakterie versteckt sich im Gerinnsel), oder eine Barriere darstellen (Fibrinolysin löst das Gerinnsel auf). Adhäsion und Penetration Einige Bakterien dringen in eigentlich nicht-phagozytierende Zellen ein, indem sie mit Proteinen Invasin oder Internalin sehr eng an die Zellen binden und so eine aktive Aufnahme (die ein intaktes Cytoskelett des Wirts erfordert) induzieren (sie lassen sich also phagozytieren). 5

6 Invasion Manche Bakterien überleben innerhalb der Makrophagen - und sind so vom Immunsystem gut verborgen. Dazu gehören Mycobacterien (M. leprae, M. tuberculosis), Thyphuserreger Salmonella thyphi, Pesterreger Yersinia pestis, Listerien (Listeriose), Brucellen (Brucellose). Invasion Salmonella thyphi in einem Phagozyten 6

7 Invasion Zu ihrem Schutz bildet Y. pestis unterschiedliche Faktoren, die z.b. ihren Verdau im Lysosom verhindern und das Immunsystem ausschalten. Invasion Membranproteine von Neisseria wandern auf die Außenseite der umgebenden Vesikelmembran und verhindern eine Fusion mit primären Lysosomen. 7

8 Invasion Listerien (L. monocytogenes) bewegen sich durch die Wirtszelle, indem sie dessen Actin hinter sich polymerisieren und von diesem Kometenschweif nach vorwärts gedrückt werden. Es entstehen Zellausbuchtungen, die lysieren, wodurch die Listerie zur Nachbarzelle gelangt. Invasion Mechanismus der intrazellulären Fortbewegung von Listerien durch Aktin- Polymerisation 8

9 Bakterientoxine Bei den Bakteriengiften unterscheidet man die Endotoxine, das Lipopolysaccharid der äußeren Membran gramnegativer Bakterien und Abbauprodukte davon, und Exotoxine, die von den intakten Bakterien freigesetzt werden. Eine Klasse der Exotoxine sind die cytolytischen Toxine, Hämolysine, die Zellmembranen des Wirts zerstören. Es sind Enzyme wie Lecithinase und Phospholipase. Bakterientoxine Sehr viel wirksamer sind die A-B-Toxine. Diese Proteine bestehen aus zwei kovalent verknüpften Untereinheiten. UE B bindet an Rezeptoren der Zielzelle und ermöglicht die Aufnahme der Untereinheit A, des eigentlichen Toxins. Da die Toxinwirkung auf einer enzymatischen Aktivität der UE A beruht, sind diese Gifte so hochwirksam. Ein einziges Molekül Diphterietoxin tötet die betroffene Wirtszelle. 9

10 Choleratoxin, das Gift von Vibrio cholerae, verursacht einen schweren und oft tödlichen Durchfall, indem es den Abschaltmechanismus eines stimulatorischen G-Proteins blockiert. G-Proteine sind molekulare Schalter, die in der GTPgebundenen Form aktiv und in der GDP-gebundenen Form inaktiv sind. Man unterscheidet trimere G-Proteine (Untereinheiten α, β und γ) von kleinen G-Proteinen mit nur einer Untereinheit. Das Anschalten geschieht durch Austausch von GDP gegen GTP durch ein GEP (Guanyl-Nucleotide Exchange Protein), bei den trimeren G-Proteinen ist das ein membrangebundener Rezeptor nach Bindung seines Liganden. Das Ausschalten geschieht durch die GTPase-Aktivität des G- Proteins selbst (bei trimeren die α-ue, bei kleinen G- Proteinen kann der Abschaltvorgang durch ein GAP (GTPase- Aktivierungs-Protein) beschleunigt werden). 10

11 Aktivierung der Adenylatcyklase via trimeres G-Protein Nach GTP-Bindung löst sich die α-ue von βγ (die zusätzlichen Ladungen des dritten Phosphatrests ändern die Konformation des Proteins) und aktiviert im Falle des stimulierenden G-Proteins im Dünndarmepithel (Ziel des Choleratoxins) eine Adenylat-Cyklase, die den Botenstoff (2 nd messenger) camp produziert. Der aktiviert die Proteinkinase A, die Kinasekaskade aktiviert den Ionentransporter CFTR (den, der bei Cystischer Fibrose nicht funktioniert), die Endothelzelle sekretiert aktiv Chlorid und Carbonat, Wasser strömt osmotisch nach: der Darminhalt wird angefeuchtet. Nach kurzer Zeit hydrolysiert die α-ue das GTP und bindet an βγ zurück, der Salz- und Wasserausstrom hört auf. 11

12 Bakterientoxine - Choleratoxin Entstehung und Abbau von camp Vibrio cholerae heftet sich (über Pili, ohne Anheftung keine Pathogenität) ans Dünndarmepithel an und bildet das Choleratoxin. Das Pentamer aus B-Untereinheiten bindet an Gangliosid GM1 (Glycolipid), dadurch werden die beiden A- UE in die Membran inseriert und durch Endocytose aufgenommen. Sie werden durch den Golgi-Apparat zum ER transportiert und via ERAD (Endoplasmic-reticulum-related protein degradation, dem Abbau entkommt das Toxin) ins Cytoplasma ausgeschleust. Dort wird A 1 reduktiv (S-S- Brücke) abgespalten. In der Zelle entfaltet es seine Aktivität, die Übertragung eines ADP-Riboserestes aus NAD + auf ein Protein (ADP-Ribosylierung). 12

13 Pentamer der B- Untereinheit, verantwortlich für Bindung und Toxineinschleusung Mechanismus der ADP- Ribosylierung 13

14 Ziel ist ein Arginin der α-untereinheit des (stimulatorischen, G s ) G-Proteins, das die Adenylatcyclase aktiviert. Dadurch wird die GTPase-Aktivität gehemmt, das G-Protein, und damit die Adenylat-Cyclase bleibt dauerhaft aktiv, camp häuft sich massiv an und aktiviert dauerhaft die Proteinkinase A. Die Kinasekaskade aktiviert den Ionentransporter CFTR, die Endothelzelle verliert unkontrolliert und massiv Wasser und Elektrolyte. Das führt zu schwerem Durchfall (bis zu 40 l am Tag), der schnell tödlich sein kann - die Cholera. Einfachste Abhilfe ist die orale Versorgung mit Wasser und Salzen, in schweren Fällen und bei Kindern immer durch Infusionen. Cholera-Toxin führt zur Dauer-Stimulation der Adenylatcyklase 14

15 Aufnahme und Wirkung des Choleratoxins Die Aufnahme läuft über eine Endocytose (das Toxin landet also in einem Vesikel) und Transport über Endosomen und Golgi-Apparat ins ER. Das Toxin läßt sich über ERAD (Endoplasmic-reticulum-associated protein degradation) ausschleusen, täuscht also vor, ein fehlgefaltetes Protein zu sein, vermeidet aber den Abbau durch das Proteasom. Im Cytosol kommt es dann zu reduktiven Aufspaltung. 15

16 Die Toxingene liegen im Bakteriengenom eng zusammen auf einem Prophagen. In freier Form kann dieser Phage aus einem nicht-pathogenen V. cholerae einen pathogenen machen. Bakterientoxine - Pertussistoxin Auch das Toxin des Keuchhustenerregers Bordetella pertussis (früher Haemophilus pertussis) wirkt durch ADP- Ribosylierung eines G-Proteins. Der Lipidstoffwechsel der Zellmembran ist ein dynamischer Prozess, Auf- und Abbau laufen ständig parallel und sind genau reguliert. camp aktiviert über eine Proteinkinase eine Lipase und verstärkt so den Lipidabbau. Antilipolytische Hormone aktivieren ein inhibitorisches (G i ) G-Protein, das die Cyclase hemmt. Pertussistoxin modifiziert die α-ue dieses Trimers und verhindert so die Bindung der UE an die Cyclase. Die Cyclase arbeitet ungehemmt, Lipidabbau dominiert über Lipidsynthese, so dass die Membran zerstört wird. 16

17 Bakterientoxine - Pertussistoxin Bringt man in diese Zellen Choleratoxin, reagiert dieses mit der α-ue des stimulierenden G-Proteins, das es hier aber inaktiviert (keine Stimulation der Cyclase mehr). Bakterientoxine - Pertussistoxin Differenzielle Regulation des Membranhaushalts durch inhibierende und stimulierende G-Proteine 17

18 Bakterientoxine - Pertussistoxin Bordetella pertussis produziert noch ein weiteres Toxin, ACT (Adenylate Cyclase Toxin), das einerseits eine Pore bildet (die bei Erythrocyten hämolytisch wirkt), und andererseits selbst Adenylat-Cyclase-Aktivität hat, so dass der Anstieg von camp gleich auf zwei Weisen bewirkt wird. Bakterientoxine - Diphtherietoxin Auch Diphtherietoxin (Corynebacterium diphtheriae) bewirkt eine ADP-Ribosylierung. Ziel ist eine ungewöhnliche Aminosäure, Diphtamid, im Elongationsfaktor EF2. (Diese entsteht posttranslational bei der Reifung des EF2.) Durch die ADP-Ribosylierung blockiert das modifizierte EF2 das Ribosom und bringt so die Proteinbiosynthese zum Erliegen. Auch die Gene des Diphtherietoxins liegen auf einem Prophagen. Infektion mit dem β-phagen wandelt auch hier nichtpathogene Stämme in pathogene um. 18

19 Bakterientoxine - Diphtherietoxin Die Bildung des Toxins geschieht nur bei Eisenmangel. Eisen bindet an ein negatives Regulatorprotein von C. diphtheriae, das dann die Toxinexpression reprimiert. Diphtheriebakterien befallen die Schleimhäute von Mund, Rachen und Kehlkopf. Das Toxin kann im ganzen Körper seine Wirkung ausüben, Diphtherie verläuft zu 5-10% tödlich. Bakterientoxine - Chlostridien-Neurotoxine Auch die von Clostridium tetani und C. botulinum gebildeten Toxine gehören zu den A-B-Toxinen und wirken als Enzyme. Es handelt sich hier aber um Zink-Proteasen, die auf den Vesikeltransport an den Nervenendigungen vor Synapsen wirken. Beide Toxine sind homolog (60% Sequenzidentitäten), Tetanus-Toxin ist von einem Plasmid codiert, Botulinus-Toxin auf einem Phagen. Die Toxine werden als eine große Polypeptidkette gebildet, die (von einer unbekannten Protease) in eine schwere B- Einheit (die den Import vermittelt) und eine leichte Kette, das eigentliche Toxin (A-Einheit). 19

20 Bakterientoxine - Chlostridien-Neurotoxine Gespalten (und damit inaktiviert) werden SNARE-Proteine, die für die Vesikelfusion verantwortlich sind, das v-snare Synaptobrevin von Tetanustoxin und Botulinum B, t-snare SNAP-25 von Botulinum A und B. Chlostridien-Neurotoxine SNAREs auf Vesikel (v-snare) und Ziel- (target) Membran (t-snare) verzahnen sich eng und leiten so die Vesikelfusion (und im Fall der Neuronen die Ausschüttung des Neurotransmitters) ein. NSF entwirrt die SNAREs wieder. 20

21 Chlostridien-Neurotoxine Chlostridien-Neurotoxine Gesamtüberblick über Vesikeltransport und Exkretion 21

22 Chlostridien-Neurotoxine Trotz der gleichen Zielfunktion und der Homologie haben Tetanus- und Botulinustoxin fast gegenteilige Wirkung. Beim Wundstarrkrampf kommt es zur unkontrollierten Muskelkontraktion, oft zu Zuckungen, wenn antagonistische Muskeln betroffen sind, und bei Wirkung auf die Atemmuskulatur zum Tod durch Ersticken. Beim Botulismus kommt es zur Erschlaffung aller Muskel (bis auf das Herz) und ebenfalls zum Erstickungstod. Hier kann aber eine Eiserne Lunge rettend wirken. Chlostridien-Neurotoxine Der Unterschied erklärt sich aus den betroffenen Neuronentypen. Botulinustoxin wirkt auf die motorische Endplatte stimulatorisch-motorischer Nerven und verhindert die Freisetzung von Acetylcholin, das die Muskeln zur Kontraktion anregt. Tetanustoxin wirkt auf inhibitorische Interneurone und verhindert die Freisetzung von Glycin und γ-aminobuttersäure (GABA), die als inhibitorische Neurotransmitter as Aktionspotential der motorischen Nervenzelle vermindern und so die Freisetzung von Acetylcholin aus den stimulatorischen Nerven stoppen. Der Effekt ist Dauerstimulation der Muskeln. Botulinustoxin ist der stärkste bekannte Giftstoff, ein mg könnte mehr als 1 Millionen Meerschweinchen töten. 22