SFB 796: Reprogramming of Host Cells by Microbial Effectors
Chemistry
Medicine
Final Report Abstract
Zentrales Ziel des SFB796 war die Charakterisierung von Wirt-Pathogen Wechselwirkungen auf molekularer und zellulärer Ebene. Hierdurch sollten vertiefte Einblicke in mikrobielle Strategien zur Ausnutzung bzw. Umsteuerung zellulärer Wirtsprozesse erarbeitet werden. Das Alleinstellungsmerkmal des SFB796 war die gemeinsame Untersuchung viraler und bakterieller Strategien zur erfolgreichen Infektion und Besiedelung von Pflanzen- und Säugerzellen. Dies bot die Möglichkeit spezifische und konservierte Interaktionsmuster zu erkennen. Beispiele für konservierte Strategien beinhalten die Effektor-vermittelte Unterdrückung des Zelltods durch Beeinflussung der ER-Stressantwort, der SUMO-abhängige Kerntransport von Proteinen und die Wechselwirkung viraler Effektoren mit Komponenten der zytoplasmatischen Stresskörperchen der Wirtszellen. Alle diese Prozesse basieren auf spezifischen Interaktionen zwischen mikrobiellen Effektoren und Zielstrukturen des Wirts. Trotz der offensichtlichen Bedeutung dieser Interaktionen sind viele Ziele und zelluläre Funktionen dieser Effektoren nur vage bekannt. Deshalb fokussierte der SFB796 auf die strukturelle Analyse dieser Interaktionen und die Entschlüsselung zellulärer Funktionen bekannter Effektoren. Zur Unterstützung der wissenschaftlichen Projekte konnte eine zentrale Technologieplattform aufgebaut werden, die über Proteinstrukturanalysen, die automatische Bilderkennung, Bioinformatik bis zu Proteomanalysen das notwendige Rüstzeug für die experimentellen Arbeiten zur Verfügung stellte. So konnten mit Hilfe der Bioinformatik lineare Peptidmotive mikrobieller Effektoren genauer untersucht werden, wodurch z.B. erkannt wurde, dass Aminosäurereste in der Nähe der Bindestellen deren Affinität und Spezifität stark beeinflussen. Hierdurch können Stamm-spezifische Unterschiede in der Interaktion von mikrobiellen Effektoren und ihren Wirtsproteinen erklärt werden. Beispiele hierfür sind das CagA Protein von Helicobacter pylori oder das Tio Protein von Herpesviren, bei denen jeweils die Aminosäurereste in der Nähe der Bindestellen die SH2- bzw. TRAF-Bindedomänen beeinflussen und somit eine Rolle bei der Wirtsspezifität spielen. Insgesamt konnten 10 lineare Motive bioinformatisch und experimentell bei viralen und bakteriellen Effektoren identifiziert werden, was auf ein übergeordnetes Prinzip hinweist. Durch Röntgenstrukturanalysen konnten eine Reihe mikrobieller Effektoren strukturell charakterisiert werden. Hierzu zählen das SiiE Protein von Salmonella enterica sowie die IE1, pUL50 und pUL53 Proteine des Cytomegalovirus. Im Fall von pUL50 und pUL53 konnte ein Proteinkomplex auf atomarer Ebene entschlüsselt werden. Hierbei zeigte sich, dass pUL50 über eine haken-ähnliche Struktur mit pUL53 interagiert (hook-into-groove Interaktion). Da beide Proteine zentrale Bestandteile des essentiellen viralen nukleären Eggress-Komplexes sind, bietet die Beobachtung die Chance durch die Entwicklung kleiner Liganden, die mit der Bindung der beiden Proteine interferieren, Theraputika zu entwickeln, die antiviral wirken. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Patent eingereicht und eine Kooperation mit einem Industriepartner gestartet. Die Proteomanalyse wurde in über 13 Teilprojekten eingesetzt und im Wesentlichen zur Aufklärung von Proteinkomplexen, aber auch von posttranslationalen Modifikationen genutzt. Die Untersuchungen erlaubten einen tieferen Einblick in die molekulare Funktion von AnkG, einem anti-apoptotischen Effektor von Coxiella burnetti, aber auch die erstmalige spezifische Beschreibung von Plasmodesmata, den Zell-zu-Zellverbindungen in Pflanzen oder die Identifizierung von Komponenten der pflanzlichen Stresskörperchen. Das molekulare Verständnis zur Zusammensetzung der Plasmodesmata erlaubt zukünftig die Entwicklung virusresistenter Pflanzen, da alle Pflanzenviren sich über diese Zell-zu-Zellverbindungen im Wirt ausbreiten. Zu erwähnen ist hier, das bisherige genetische oder biochemische Ansätze zur Entschlüsselung des plasmodesmalen Proteoms m.o.w. erfolglos blieben. Hier kam uns eine Mutante zu Gute, die über 10-mal weniger Plasmodesmata verfügte als die Wildtyppflanzen und daher ideal für einen vergleichenden Proteomansatz war. Diese Mutante wurde im Rahmen des SFB796 identifiziert, genetisch charakterisiert und veröffentlicht. Ebenfalls großes Potential bietet die Entschlüsselung der Zusammensetzung der Stresskörperchen, da ihnen eine zentrale Rolle bei der Stabilisierung/Degradierung von RNA Molekülen zukommt. Dies ist bedeutsam bei der generellen Stressantwort, aber besonders bei Virusinfektionen, da die meisten Pflanzenviren RNA Viren sind und ein antiviraler Mechanismus der gezielte Abbau viraler RNAs ist. Hierbei könnte den Stresskörperchen eine besondere Rolle zukommen. Alle Projekte verwendeten neben den oben angeführten Techniken auch die Konfokalmikroskopie. Das notwendige Bioimaging, welches in der ersten Förderperiode aufgebaut werden konnte, wurde in das neugegründete Optical Imaging Centre Erlangen (OICE) integriert und wurde in der zweiten Förderperiode über das OICE den Teilprojekten zur Verfügung gestellt. Die Gründung des OICE kann als erfolgreiche, dauerhafte Strukturmaßnahme betrachtet werden, bei der ein Z-Bereich in die universitäre Struktur integriert und verdauert wurde. Eine Besonderheit des SFB796 war die gemeinsame Bearbeitung pflanzlicher und hum aner Systeme. Hierbei sollten Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede herausgearbeitet werden. Um tatsächlich von beiden Systemen profitieren zu können, wurden zahlreiche gemeinsame Projekte initiiert. Beispiele sind, Untersuchungen zur Rolle der SUMOylierung beim sub-nukleären Transport von Proteinen, zur molekularen Wirkungsweise von CaeB bei der Induktion von Apotose bzw. programmierten Zelltod in Pflanzen- und Humanzellen und Untersuchungen zum Kerntransport von Effektoren humanpathogener Viren in Pflanzen. Ergebnisse zu diesen Fragen konnten in internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht werden und stellen nun die Grundlage für vertiefte Analysen dar. Natürlich fanden neben den systemübergreifenden Untersuchungen auch intensive Studien innerhalb der Systeme statt, wodurch wesentliche Erkenntnisgewinne erzielt werden konnten. So zeigte sich z.B. bei der Analyse der Interaktion zwischen dendritischen Zellen (DC) und HSV-1, dass der proteasomen-abhängige Abbau von CD83 ein Hauptmechanismus ist, der es den Viren erlaubt dem humanen Immunsystem zu entkommen. Helicobacter pylori and Campylobacter jejuni sekretieren eine Serinprotease, HtrA, die die Zell-zu-Zellverbindungen zwischen Epithelzellen auflösen können und damit den Weg zur Besiedelung freimachen. Studien zum Typ 6 Sekretionsapparat von Citrobacter rodentium zeigten, dass Typ 6 Effektoren nicht direkt mit Wirtszellen interagieren, aber wichtige Komponenten sind, um das Mikrobiom umzusteuern, wodurch indirekt ein Einfluss auf den Wirtsorganismus ausgeübt wird. Analysen des Corynebacteriums diphtheriae, welches traditioneller Weise als extrazelluläres Pathogen angesehen wird, zeigten, dass das Bakterium stamm- und zellspezifisch in Wirtszellen eindringen kann. Die Bedeutung für die Pathogenese bleibt jedoch noch zu analysieren. Erste Schritte in diese Richtung wurden unternommen, indem bereits Virulenzfaktoren, die die Invasion beeinflussen, identifiziert werden konnten. Im pflanzlichen System konnte gezeigt werden, dass eine Reihe von bakteriellen Typ 3 Effektoren das Proteasom der Wirtszellen inhibieren und damit Abwehrreaktionen, wie die Bildung von Salizylsäure oder die Einleitung des programmierten Zelltods unterdrücken. Neben den genannten Beispielen wurde in allen Projekten das Verständnis der Interaktion mikrobieller Effektoren mit Wirtsfaktoren vertieft. So kann abschließend gesagt werden, dass der SFB796 seine Ziele erreicht hat und darüber hinaus eine enge Verzahnung zwischen Biologie und Medizin initiieren konnte. Diese Verbindungen sind die Grundlage für künftige interdisziplinäre Verbünde und werden auch nach Abschluss des SFB796 weiterbestehen bleiben. Ebenfalls von Dauer wird die geschaffene Technologieplattform sein, die als Kristallisationskern für proteinorientierte Verbundvorhaben dient.
Publications
- Comparison of Parameter-Adapted Segmentation Methods for Fluorescence Micrographs. 2011 Cytometry A: 79 A (11), 933-945
Held C, Palmisano R, Häberle L, Hensel M, Wittenberg T
(See online at https://doi.org/10.1002/cyto.a.21122) - Infection of dendritic cells with herpes simplex virus type 1 induces rapid degradation of CYTIP, thereby modulating adhesion and migration. 2011 Blood 118, 107-115
Theodoridis AA, Eich C, Figdor CG, Steinkasserer A
(See online at https://doi.org/10.1182/blood-2010-07-294363) - PML promotes MHC class II gene expression by stabilizing the class II transactivator. 2012 J. Cell Biol. 199, 49-63
Ulbricht, T., Alzrigat, M., Horch, A., Reuter, N., von Mikecz, A., Steimle, V., Schmitt, E., Krämer, O.H., Stamminger, T., Hemmerich, P.
(See online at https://doi.org/10.1083/jcb.201112015) - SseF, a type III effector protein from the mammalian pathogen Salmonella enterica, requires resistancegene-mediated signalling to activate cell death in the model plant Nicotiana benthamiana. 2012 New Phytol 194, 1046- 1060
Üstün S, Müller P, Palmisano R, Hensel M, Börnke F
(See online at https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2012.04124.x) - A helical RGD motif promoting cell adhesion: crystal structures of the H. pylori type IV secretion system pilus protein CagL. 2013 Structure 21: 1931-1941
Barden, S., Lange, S., Tegtmeyer, N., Conradi, J., Sewald, N., Backert, S., Niemann, H.H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.str.2013.08.018) - Cellular FLICE-Like Inhibitory Protein Secures Intestinal Epithelial Cell Survival and Immune Homeostasis by Regulating Caspase-8. 2013 Gastroenterol ogy. 145(6):1369- 79
Wittkopf N, Günther C, Martini E, He G, Amann K, He Y-W, Schuchmann M, Neurath MF, Becker C
(See online at https://doi.org/10.1053/j.gastro.2013.08.059) - Interleukin-33-dependent innate lymphoid cells mediate hepatic fibrosis. 2013 Immunity 22;39(2):357-71
Mchedlidze T, Waldner M, Zopf S, Walker J, Rankin AL, Schuchmann M, Voehringer D, McKenzie AN, Neurath MF, Pflanz S, Wirtz S
(See online at https://doi.org/10.1016/j.immuni.2013.07.018) - Crystal structure of cytomegalovirus IE1 protein reveals targeting of TRIM family member PML via coiled-coil interactions. 2014 PLoS Pathog. 19(11): e1004512
Scherer, M., Klingl, S., Sevvana, M., Otto, V., Schilling, E.-A., Stump, J.D., Müller, R., Reuter, N., Sticht, H., Muller, Y.A., Stamminger, T.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1004512) - Efficient generation of human natural killer cell lines by viral transformation. 2014 Leukemia 28(1):192-195
Vogel B, Tennert K, Full F, & Ensser A
(See online at https://doi.org/10.1038/leu.2013.188) - Kaposi’s sarcoma associated herpesvirus tegument protein ORF75 is essential for viral lytic replication and plays a critical role in the antagonization of ND10- instituted instrinsic immunity. 2014 PLoS Pathog. 10(1): e1003863
Full, F., Jungnickl, D., Reuter, N., Bogner, E., Brulois, K., Scholz, B., Stürzl, M., Myoung, J., Jung, J.U., Stamminger, T., Ensser, A.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003863) - Proteomic analysis of the multimeric nuclear egress complex of human cytomegalovirus. 2014 Mol Cell Proteomics 13, 2132-2146
Milbradt J, Kraut A, Hutterer C, Sonntag E, Schmeiser C, Ferro M, Wagner S, Lenac T, Claus C, Pinkert S, Hamilton ST, Rawlinson WD, Sticht H, Couté Y, Marschall M
(See online at https://doi.org/10.1074/mcp.m113.035782) - The anti-apoptotic activity of the Coxiella burnetii effector protein AnkG is controlled by p32-dependent trafficking. 2014 Infect Immun 82: 2763-2771
Eckart RA, Bisle S, Schulze- Luehrmann J, Wittmann I, Jantsch J, Schmid B, Berens C, Lührmann A
(See online at https://doi.org/10.1128/iai.01204-13) - Versatile trivalent C3-symmetric scaffolds and their use for covalent stabilization of the foldon trimer. 2014 Org.Biomol.C hem. 12(16), 2606-2614
Berthelmann A, Lach J, Gräwert MA, Groll M, Eichler J
(See online at https://doi.org/10.1039/c3ob42251h) - A Specific A/T Polymorphism in Western Tyrosine Phosphorylation B-Motifs Regulates Helicobacter pylori CagA Epithelial Cell Interactions. 2015 PLoS Pathog 11: e1004621
Zhang, X.S., Tegtmeyer, N., Traube, L., Jindal, S., Perez-Perez, G., Sticht, H., Backert, S., Blaser, M.J.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1004621) - Caspase-8 controls the gut response to microbial challenges by TNFalpha - dependent and –independent pathways. 2015 Gut 64(4):601-610
Günther C, Buchen B, He G, Hornef M, Torow N, Neumann H, Wittkopf N, Martini E, Basic M, Bleich A, Watson AJ, Neurath MF, Becker C
(See online at https://doi.org/10.1136/gutjnl-2014-307226) - Characterization of recombinant human cytomegaloviruses encoding IE1 mutants L174P and 1- 382 reveals that viral targeting of PML bodies perturbs both intrinsic and innate immune responses. 2015 J. Virol. 90(3): 1190-205
Scherer, M., Otto, V., Stump, J., Klingl, S., Müller, R., Reuter, N., Muller, Y., Sticht, H., Stamminger, T
(See online at https://doi.org/10.1128/jvi.01973-15) - H. pylori-induced DNA strand breaks are introduced by nucleotide excision repair endonucleases and promote NF-kB target gene expression. 2015 Cell Reports, 3:70-79
Hartung, M.L., Gruber, D.C., Koch, K.N., Grüter, L., Rehrauer, H., Tegtmeyer, N., Backert, S., Müller, A
(See online at https://doi.org/10.1016/j.celrep.2015.08.074) - The Xanthomonas campestris type III effector XopJ proteolytically degrades proteasome subunit RPT6. 2015 Plant Physiol 168(1): 107 – 119
Üstün, S. and Börnke, F.
(See online at https://doi.org/10.1104/pp.15.00132) - Attenuation of chemokine receptor function and surface expression as an immunomodulatory strategy employed by human cytomegalovirus is linked to vGPCR US28. 2016 Cell Communicati on and Signaling, 14
Frank, T., Reichel, A., Larsen, O., Stilp, A.C., Rosenkilde, M.M., Stamminger, T., Ozawa, T. and Tschammer, N
(See online at https://doi.org/10.1186/s12964-016-0154-x) - Human cytomegalovirus nuclear egress proteins ectopically expressed in a hetereologous environment are targeted to the nuclear envelope of plant cells. 2016 Viruses 8
Lamm C, Schmitt K, Link K, Milbradt J, Marschall M, Sonnewald U
(See online at https://doi.org/10.3390/v8030073) - Loss of Survivin in intestinal epithelial progenitor cells leads to mitotic catastrophe and breakdown of gut immune homeostasis. 2016 Cell Rep. 14(5):1062-73
Martini E, Wittkopf N, Günther C, Okada H, Watson A, Podstawa E, Backert I, Neurath MF, Becker C
(See online at https://doi.org/10.1016/j.celrep.2016.01.010) - The killing of macrophages by Corynebacterium ulcerans. 2016 Virulence 7: 45-55
Hacker E, Ott L, Schulze- Luehrmann J, Lührmann A, Wiesmann V, Wittenberg T, Burkovski A
(See online at https://doi.org/10.1080/21505594.2015.1125068) - The prolyl isomerase Pin1 promotes the herpesvirusinduced phosphorylationdependent disassembly of the nuclear lamina required for nucleocytoplasmic egress. 2016 PLoS Pathog 12, e1005825
Milbradt J, Hutterer C, Bahsi H, Wagner S, Horn AHC, Kaufer BB, Mori Y, Sticht H, Fossen F, Marschall M
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005825) - The pseudokinase MLKL mediates programmed hepatocellular necrosis independently of RIPK3 during hepatitis. 2016 J Clin Invest. 126(11):4346- 4360
Günther C, He GW, Kremer AE, Murphy JM, Petrie EJ, Amann K, Vandenabeele P, Linkermann A, Poremba C, Schleicher U, Dewitz C, Krautwald S, Neurath MF, Becker C, Wirtz S
(See online at https://doi.org/10.1172/jci87545) - The Tax-inducible Actinbundling Protein Fascin is Crucial for Release and Cell- To-Cell Transmission of Human T-Cell Leukemia Virus Type 1 (HTLV-1). 2016 PLoS Pathogens 12(10):e1005 916
Gross C, Wiesmann V, Millen S, Kalmer M, Wittenberg T, Gettemans J, Thoma-Kress AK
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005916) - The Xanthomonas campestris pv. vesicatoria Type-3 Effector XopB Inhibits Plant Defence Responses by Interfering with ROS Production. 2016 PLoS One 11(7):e01591 07
Priller JP, Reid S, Konein P, Dietrich P, Sonnewald S
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0159107) - The Xanthomonas campestris Type III Effector XopJ targets the Host Cell Proteasome to suppress Salicylic-acid mediated Plant Defence. 2016 PLoS Pathog 9(6): e1003427
Üstün, S., Bartetzko, V., Börnke, F.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003427) - Chemically induced mouse models of acute and chronic intestinal inflammation. 2017 Nat Protoc. 12(7):1295- 1309
Wirtz S, Popp V, Kindermann M, Gerlach K, Weigmann B, Fichtner-Feigl S, Neurath MF
(See online at https://doi.org/10.1038/nprot.2017.044) - Comparative proteomic profiling of the choline transporter‐like1 (CHER1) mutant provides insights into plasmodesmata composition of fully developed Arabidopsis thaliana leaves. 2017 Plant J.
Kraner M, Müller C, Sonnewald U
(See online at https://doi.org/10.1111/tpj.13702) - Crystal structure of the extracellular domain of the human dendritic cell surface marker CD83. 2017 J Mol Biol 429: 1227- 1243
Heilingloh C S, Klingl S, Egerer- Sieber C, Schmid B, Weiler S , Mühl- Zürbes P, Hofmann J, Stump J D, Sticht H, Kummer M, Steinkasserer A, Muller Y A
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmb.2017.03.009) - Hop/Sti1 – A Two-Faced Cochaperone Involved in Pattern Recognition Receptor Maturation and Viral Infection. 2017 Front. Plant Sci.
Lamm C, Kraner M, Hofmann J, Börnke F, Mock H-P, Sonnewald U
(See online at https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01754) - Human promyelocytic leukemia protein is targeted to distinct subnuclear domains in plant nuclei and colocalizes with nucleolar constituents in a SUMO-dependent manner. 2017. FEBS Open
Lamm C, Scherer M, Reuter N, Amin B, Stamminger T, Sonnewald U
(See online at https://doi.org/10.1002/2211-5463.12134) - Modulation of host cell apoptotic pathways by intracellular pathogens. 2017 Curr Opin Microbiol 35: 88-99
Friedrich A, Pechstein J, Berens C, Lührmann A
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mib.2017.03.001) - Nuclear trafficking of the antiapoptopic Coxiella burnetii effector protein AnkG requires binding to p32 and Importin-α1. 2017 Cellular microbiology 19(1): e12634
Schäfer W, Eckart R A, Schmid B, Cagköylü H, Hof K, Muller Y A, Amin B Lührmann A
(See online at https://doi.org/10.1111/cmi.12634) - Protein kinases responsible for the phosphorylation of the nuclear egress core complex of human cytomegalovirus. 2017 J Gen Virol 98, 2569-2581
Sonntag E, Milbradt J, Svrlanska A, Strojan H, Häge S, Kraut A, Hesse AM, Amin B, Sonnewald U, Couté Y, Marschall M
(See online at https://doi.org/10.1099/jgv.0.000931) - Regression of apoptosisresistant colorectal tumors by induction of necroptosis in mice. 2017 Journal of Experimental Medicine 214: 1655-1662
He GW, Günther C, Thonn V, Yu YQ, Martini E, Buchen B, Neurath M, Stürzl M, Becke
(See online at https://doi.org/10.1084/jem.20160442) - The human cytomegalovirus IE1 protein antagonizes PML nuclear body mediated intrinsic immunity via the inhibition of PML de novo SUMOylation. 2017 Journal of Virology 91: e02049-16
Schilling E-M, Scherer M, Reuter N, Schweininger J, Muller Y A, Stamminger T
(See online at https://doi.org/10.1128/jvi.02049-16) - The human cytomegalovirus nuclear egress complex unites multiple functions: Recruitment of effectors, nuclear envelope rearrangement, and docking to nuclear capsids. 2017 Rev Med Virol 27: e1934
Marschall M, Muller Y A, Diewald B, Sticht H, Milbradt J
(See online at https://doi.org/10.1002/rmv.1934) - The prolyl isomerase Pin1 promotes the herpesvirusinduced phosphorylationdependent disassembly of the nuclear lamina required for nucleocytoplasmic egress. 2016 PLoS Pathog 12, e1005825
Milbradt J, Hutterer C, Bahsi H, Wagner S, Horn AHC, Kaufer BB, Mori Y, Sticht H, Fossen F, Marschall M
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005825) - The stress granule component G3BP is a novel interaction partner for the nuclear shuttle proteins of the nanovirus pea necrotic yellow dwarf virus and geminivirus abutilon mosaic virus. 2017 Virus Res.
Krapp S, Greiner E, Amin B, Sonnewald U, Krenz B
(See online at https://doi.org/10.1016/j.virusres.2016.09.021)
