Die Simkania-Vakuole: Die Rolle von ER, retro-/anterograden Protein- und Lipidtransport

• Main Author: Herweg, Jo-Ana
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2018
• Subjects: Simkania; Vakuole; Proteintransport; Lipidtransport; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/13684; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-136844; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-136844; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/13684/Dissertation_Herweg_Jo-Ana_Simkania_negevensis.pdf

Simkania negevensis (Sn) is a Chlamydia-like obligate intracellular bacterium which replicates within a membrane bound vacuole, termed SCV (Simkania-containing vacuole). The SCV is a unique compartment closely associated with ER-membranes, consequently ER-stress is blocked by the bacteria. SCV morphology is similar among epithelial cells (HeLa229, A549, HEp-2) and macrophages (THP1). The SCV represents the first intracellular interface between the host and pathogen which serves as a replication niche. Identifying human and bacterial factors associated with ER-SCV-membranes should contribute towards the understanding of SCV composition and formation as well as interactions with ER or transports. Comparative studies of the SCV should indicate similarities to the chlamydial inclusion since some host cell factors are already known for Chlamydia. In this thesis, a purification protocol has been established that is applicable to HeLa229 and THP1 ER-SCV-membranes and has been further utilized for proteome and lipidome analyses. 302 bacterial and 1178 human proteins composing ER-SCV-membranes and 885 bacterial proteins composing purified Sn have been identified by using label-free mass spectrometry measurements. Among the human factors of non or Sn infected ER-(SCV-) membranes we found 51 enriched or depleted proteins in addition to 57 transport associated ones that indicated infection induced differences among intracellular protein transport. Contrary regulation of retrograde and anterograde transported proteins could be confirmed by using RNA interference and inhibitor tests, whereby Clathrin-associated and COPI vesicles seem to play a central role. Application of Retro-inhibitors, which interfered with retrograde transport processes between endosome to Golgi or early to late endosomes, as well as Bafilomycin A1 (retrograde, late endosomes and lysosomes) and Brefeldin A (anterograde, ER and Golgi) exerted a strong influence on SCV formation, morphology and intracellular lipid transport. By using label-free mass spectrometry measurements and thin layer chromatography we could determine differences in lipid levels within Sn infected cells, ER-SCV-membranes and purified Sn in comparison to uninfected cells. In addition to lipid enrichment or depletion in whole-cell extracts and ER-SCV-membranes, we identified two infection-specific lipids, cholesterol-ß-Dglucoside and PE 30:0. Further, high-throughput RNA interference tests indicated a dependence of Sn infections on endosome to Golgi and Clathrin-associated vesicle transports. Taken together, we were able to identify initial potential SCV-associated proteins and lipids that were connected to bacterial infection. Furthermore, SCV formation and Sn infectiousness depends on retrograde transport processes and therefore also on acquisition of nutrients, such as lipids. === Simkania negevensis (Sn) repliziert als Chlamydia-ähnliches obligat intrazelluläres Bakterium auch in einer membranumschlossenen Vakuole, die als SCV (engl. Simkania-containing vacuole) bezeichnet wird. Die SCV ist ein bis jetzt einzigartiges Kompartiment, das stark mit ER-Membranen assoziiert ist, wobei ER-Stress von den Bakterien blockiert wird. Die Morphologie der SCV scheint dabei in Epithelzellen (HeLa229, A549, HEp-2) als auch in Makrophagen (THP1) gleich zu sein. Die SCV stellt die erste intrazelluläre Berührungsfläche dar, an der Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen erfolgen, und dient gleichzeitig als Replikationsnische. Mithilfe der Identifizierung von humanen und bakteriellen Faktoren, die mit der ER-SCV-Membran assoziiert sind, sollten die Zusammensetzung der SCV sowie mögliche Interaktionen mit dem ER oder zellulären Transportwegen ermittelt werden. Vergleichsstudien von SCV-assoziierten Proteinen sollten Ähnlichkeiten zur chlamydialen Inklusion aufzeigen, für die bereits einige interagierende Wirtszellfaktoren beschrieben wurden. In dieser Arbeit wurde ein Aufreinigungsprotokoll etabliert, das sowohl für ER-SCVMembranen aus HeLa229 als auch THP1 geeignet war und für spätere Proteom- oder Lipidomanalysen diente. Über markierungsfreie massenspektrometrische Messungen konnten 302 bakterielle und 1178 humane Proteine in ER-(SCV-) Membranen und 885 bakterielle Proteine in aufgereinigten Sn identifiziert werden. In ER-(SCV-) Membranen von nicht und Sn-infizierten HeLa229 Zellen befanden sich 51 unterschiedlich verteilte und 57 transportassoziierte humane Proteine, die auf infektionsinduzierte Unterschiede beim intrazellulären Proteintransport hindeuteten. Eine entgegengesetzte Regulation von retro- und anterograd transportierten Proteinen konnte mithilfe von RNA-Interferenz und dem Einsatz geeigneter Inhibitoren bestätigt werden, wobei sich zeigte, dass Clathrin-assoziierte und COPI-Vesikel eine zentrale Rolle spielen. Retro-Inhibitoren, die den retrograden Transport zwischen Endosomen zum Golgi oder zwischen frühen und späten Endosomen inhibieren, sowie Bafilomycin A1 (retrograd, späte Endosomen und Lysosomen) und Brefeldin A (anterograd, ER und Golgi), beeinflussten massiv die SCV-Ausbildung, SCV-Morphologie und den intrazellulären Lipidtransport. Über markierungsfreie massenspektrometrische und dünnschichtchromatographische Analysen konnten erste Unterschiede im Lipidvorkommen in Sn-infizierten Zellen, an ER-SCVMembranen und in aufgereinigten Sn im Vergleich zu nicht infizierten Zellen ermittelt werden. Dabei konnten neben An- und Abreicherungen in Gesamtzellextrakten sowie ER-SCVMembranen zwei infektionsspezifische Lipide, Cholesterol-ß-D-Glykosid und PE 30:0, identifiziert werden. Weiterführende umfangreiche RNA-Interferenzstudien weisen darauf hin, dass die Sn-Infektion vom Endosomen-zum-Golgi-Transport und vom Clathrin-assoziierten Vesikeltransport abhängig ist. Zusammenfassend konnten erste mögliche SCV-assoziierte Proteine und Lipide identifiziert werden, die mit der bakteriellen Infektion verbunden waren. Des Weiteren hängen eine stabile SCV-Ausbildung und Sn-Infektivität von verschiedenen retrograden Transportwegen und damit von dem Erwerb von Nährstoffen wie bspw. Lipiden ab.