Genomewide Characterization of Host-Pathogen Interactions by Transcriptomic Approaches [Elektronische Ressource] / Maren Depke

Depke

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• Publié par: ernst-moritz-arndt-universitat_greifswald
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

G E N O M E W I D E C H A R A C T E R I Z A T I O N
O F H O S T - P A T H O G E N I N T E R A C T I O N S
B Y T R A N S C R I P T O M I C A P P R O A C H E S

I N A U G U R A L D I S S E R T A T I O N
ZUR
ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADES
DOCTOR RERUM NATURALIUM (DR. RER. NAT.)
AN DER MATHEMATISCH-NATURWISSENSCHAFTLICHEN FAKULTÄT
DER ERNST-MORITZ-ARNDT-UNIVERSITÄT GREIFSWALD
VORGELEGT VON MAREN DEPKE
GEBOREN AM 11. 01. 1978
IN HAMBURG
GREIFSWALD, DEN 24. 09. 2010









































Dekan: Prof. Dr. rer. nat. Klaus Fesser


1. Gutachter : Prof. Dr. rer. nat. Uwe Völker

2. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Christiane Wolz


Tag der Promotion: 22. 12. 2010

Maren Depke



C O N T E N T S


GENOMEWIDE CHARACTERIZATION OF HOST-PATHOGEN INTERACTIONS
BY TRANSCRIPTOMIC APPROACHES 1
CONTENTS 3
ZUSAMMENFASSUNG DER DISSERTATION 5
SUMMARY OF DISSERTATION 9
INTRODUCTION 13
INFECTIOUS DISEASES AND IMMUNE SYSTEM 13
Aspects of Innate Immunity 13
Aspects of Adaptive Immunity 16
Modulation of Immune Reactions 18
STAPHYLOCOCCUS AUREUS 20
General Features of S. aureus 20
S. aureus, a Commensal and Opportunistic Pathogen 21
S. aureus Virulence Factors 22
Mechanisms of S. aureus Adaptation to its Environment 28
Increasing Importance and Danger of S. aureus Infections 29
STUDIES OF HOST-PATHOGEN INTERACTIONS 31
Model Systems for Studies of Host Reactions Potentially Influencing the Outcome of Infections 31
Model Systems for Studies of Host-Pathogen Interactions 35
Questions and Aims of the Studies Described in this Thesis 37
MATERIAL AND METHODS 39
LIVER GENE EXPRESSION PATTERN IN A MOUSE PSYCHOLOGICAL STRESS MODEL 39
KIDNEY GENE EXPRESSION PATTERN IN AN IN VIVO INFECTION MODEL 43
GENE EXPRESSION PATTERN OF BONE-MARROW DERIVED MACROPHAGES AFTER INTERFERON-GAMMA TREATMENT 47
HOST CELL GENE EXPRESSION PATTERN IN AN IN VITRO INFECTION MODEL 51
PATHOGEN GENE EXPRESSION PROFILING 55
Growth Media Comparison Study 55
In vitro Infection Experiment Study 57
Tiling Array Expression Profiling 60

3
Maren Depke Contents


RESULTS 63
LIVER GENE EXPRESSION PATTERN IN A MOUSE PSYCHOLOGICAL STRESS MODEL 63
KIDNEY GENE EXPRESSION PATTERN IN AN IN VIVO INFECTION MODEL 75
GENE EXPRESSION PATTERN OF BONE-MARROW DERIVED MACROPHAGES AFTER INTERFERON-GAMMA TREATMENT 91
HOST CELL GENE EXPRESSION PATTERN IN AN IN VITRO INFECTION MODEL 111
PATHOGEN GENE EXPRESSION PROFILING 131
Growth Media Comparison Study 131
In vitro Infection Experiment Study 136
DISCUSSION AND CONCLUSIONS 171
LIVER GENE EXPRESSION PATTERN IN A MOUSE PSYCHOLOGICAL STRESS MODEL 171
KIDNEY GENE EXPRESSION PATTERN IN AN IN VIVO INFECTION MODEL 178
GENE EXPRESSION PATTERN OF BONE-MARROW DERIVED MACROPHAGES AFTER INTERFERON-GAMMA TREATMENT 182
HOST CELL GENE EXPRESSION PATTERN IN AN IN VITRO INFECTION MODEL 190
PATHOGEN GENE EXPRESSION PROFILING 197
REFERENCES 207
PUBLICATIONS 233
AFFIDAVIT / ERKLÄRUNG 235
ACKNOWLEDGMENTS 237



4
Maren Depke

Z U S A M M E N F A S S U N G D E R D I S S E R T A T I O N
Mensch und Tier sind regelmäßig Mikroorganismen ausgesetzt. In der Interaktion mit patho-
genen Mikroorganismen entwickelten sich Abwehrmechanismen, die entweder Infektionen ver-
hindern oder sie zu überwinden helfen. Parallel dazu erwarben Pathogene Mechanismen, um der
Abwehr ihres Wirts zu entgehen. Außer der wirtseigenen Immunregulation und den Faktoren der
Pathogene üben weitere Faktoren wie körperliche Anstrengung und die psychische Verfassung
des Wirts Einfluß auf das Immunsystem aus. Während kurze Streßepisoden sogar die Immun-
antwort fördern können, kann sie durch zu lang andauernde Streßphasen negativ beeinflußt
werden. Doch nicht nur die Immunantwort, sondern auch metabolische Prozesse unterliegen
Modifikationen durch solche Stressoren. Deshalb können Untersuchungen zu Wirt-Erreger-
Wechselwirkungen helfen, Mechanismen aufzuklären, die entweder für Wirt oder Pathogen von
Vorteil sind, und dazu beitragen, Interventionsstrategien im Fall von Infektionskrankheiten zu
etablieren. Diese Dissertation beschreibt die Ergebnisse aus Transkriptomstudien zu verschiede-
nen Aspekten von Wirt-Erreger-Wechselwirkungen.
Zunächst wurde das Lebergenexpressionsprofil aus einem Mausmodell für chronischen,
psychologischen Streß verwendet, um den Einfluß von Streß auf Metabolismus und Immunant-
wort der Tiere zu verdeutlichen. Psychische und physische Stressoren können neuroendokrine,
immunologische, verhaltensbezogene und metabolische Funktionen stören. Vor kurzem wurde
von Kiank et al. publiziert, daß BALB/c-Mäuse ein schwere systemische Immunsuppression,
neuroendokrine Störungen und depressionsähnliches Verhalten entwickeln, wenn sie in einem
Modell für starken, chronischen, psychischen Streß über 4,5 Tage periodisch akustischem Streß in
Kombination mit Bewegungseinschränkung ausgesetzt wurden (Kiank et al. 2006; Brain Behav
Immun. 20(4):359). Außerdem litten diese Mäuse unter deutlichem Gewichtsverlust. Um Gründe
dafür aufzuklären, wurde das Genexpressionsprofil der Leber, die eine Hauptrolle im Stoff-
wechsel übernimmt, analysiert. Die Leber übt außerdem eine Wächterfunktion zwischen dem
Verdauungstrakt und dem Blutsystem aus. Deshalb wurde in dem Genexpressionsdatensatz
zusätzlich der Einfluß von psychischem Streß auf immunregulierende Prozesse untersucht.
Bereits nach einer einzelnen, akuten Streßphase wies das hepatische Genexpressionsmuster
deutliche Veränderungen auf. Auch wenn zu diesem Zeitpunkt noch keine metabolischen Ver-
änderungen sichtbar wurden, begann dennoch eine Genexpressionskaskade, die zu den beob-
achteten Störungen führte, nachdem der Streß die chronische Phase erreicht hatte. Dort waren
dann besonders stoffwechselbezogene Gene in ihrer Expression verändert. Die differentielle
Expression betraf Kohlenhydrat-, Aminosäure- und Fettmetabolismus. Es wurde gezeigt, daß
chronischer Streß in weiblichen BALB/c-Mäusen zu einem hypermetabolischen Syndrom ein-
schließlich Auslösung von Gluconeogenese und Hypercholesterinämie und dem Verlust von
essentiellen Aminosäuren führte. Des weiteren deckte diese Analyse eine veränderte Expression
von Genen der Immunantwort auf. Darin war die Auslösung einer Akute-Phase-Antwort, aber
auch von immunsupprimierenden Abläufen und die Unterdrückung von hepatischer Antigen-
präsentation enthalten. In chronisch gestreßten Mäusen wurde gesteigerte Leukozyten-
einwanderung, verstärkter oxidativer Streß, der aber auch mit gegenregulatorischen Expressions-
veränderungen einherging, sowie Apoptose detektiert.
5
Maren Depke Zusammenfassung der Dissertation
Die Experimente in der Studie am Modell für psychischen Streß wurden noch ohne den zusätz-
lichen Einfluß eines pathogenen Erregers durchgeführt, der aber in der zweiten Studie berück-
sichtigt wurde. Hierbei wurde der Einfluß einer intravenösen Staphylokokkeninfektion auf die
Nierengenexpression des Wirts in einem weiteren in vivo Mausmodell analysiert, wobei der
Wildtypstamm Staphylococcus aureus RN1HG und seine isogene sigB-Mutante eingesetzt
wurden. S. aureus, ein Gram-positives Bakterium, besiedelt als persistierender Kommensale den
vorderen Nasenraum von ca. 20 % der menschlichen Bevölkerung. Normalerweise bewirkt die
Besiedlung mit S. aureus keine Erkrankung. Andererseits kann S. aureus aber auch für ein breites
Spektrum an Erkrankungen verantwortlich sein, das von schwachen bis schweren lokalen Infek-
tionen der Haut oder Rachenschleimhaut über Infektionen innerer Organe (z. B. Endokarditis,
Osteomyelitis) bis zu systemischen Erkrankungen wie Sepsis geht. In das Blut kann S. aureus nach
Verletzungen oder durch medizinische Hilfsmittel wie Katheter gelangen. Ein einfaches Modell,
um solche Blutsysteminfektionen zu imitieren, ist die i. v.-Infektion von Mäusen. Die Wirtsreak-
tion kann dabei mit physiologischen, immunologischen und molekularen Messungen aufgezeich-
net werden. In dieser Studie wurde die Transkriptomanalyse auf Mausnierenproben angewandt.
Obwohl Literaturangaben oft von ähnlicher Virulenz von sigB-defizienten Mutanten und Wild-
typstämmen berichten, könnte sich der Mechanismus der Pathogenese – zum Teil auch in
Abhängigkeit von dem gewählten Infektionsmodell – zwischen beiden unterscheiden. Deshalb
sollte mit dieser Studie untersucht werden, ob die Deletion von sigB zu einer veränderten Wirts-
antwort während der Infektion führt. Das Genexpressionsprofil in infiziertem Niere