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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000917-9

Genomewide Characterization of Host-Pathogen Interactions by Transcriptomic Approaches

  • This thesis contains results from transcriptome studies on different aspects of host-pathogen interactions. First, liver gene expression profiles from a murine chronic stress model served to elucidate aspects of the influence of stress on metabolism and immune response state. Chronic stress in female BALB/c mice was shown to lead to a hypermetabolic syndrome including induction of gluconeogenesis, hypercholesteremia, and loss of essential amino acids, to the induction of the acute phase response, but also of immune suppressive pathways and to the repression of hepatic antigen presentation. Increased leukocyte trafficking, increased oxidative stress together with counter-regulatory gene expression changes, and an induction of apoptosis were detected. The influence of intra-venous infection on the host kidney gene expression was analyzed in another murine model using the wild type strain Staphylococcus aureus RN1HG and its isogenic sigB mutant. Gene expression profiling indicated a highly reproducible host kidney response to infection. The comparison of infected with non-infected samples revealed a strong inflammatory reaction of kidney tissue, e. g. Toll-like receptor signaling, complement system, antigen presentation, interferon and IL-6 signaling. However, the results of this study did not provide any hints for differences in the pathomechanism of the S. aureus strains RN1HG and ΔsigB, since the host response did not differ between infections with the two strains analyzed. Effects of SigB might be transient, only apparent at earlier time points, or might also be compensated for in the in vivo infection by the interlaced pattern of other regulators. SigB might possess only to a lesser extent characteristics attributed to virulence factors and might act in vivo more like a virulence modulator and fine tune bacterial reactions. In addition to the analysis of tissue samples, different in vitro models were furthermore studied. The third part of this thesis focuses on bone-marrow derived macrophages (BMM) of the two mouse strains BALB/c and C57BL/6, which are described in literature to exhibit genetically determined differences in their reaction to infection. Expression profiling was performed on control and IFN-γ treated samples from a serum-free cultivation system and revealed mainly induction of gene expression after treatment of BMM with IFN-γ. Gene expression changes confirmed known IFN-γ effects like induction of immunoproteasome, antigen presentation, interferon signaling related genes, GTPase/GBPs, and inducible NO synthase. IFN-γ dependent gene expression changes were highly similar in BALB/c and C57BL/6 BMM. Considering gene expression differences between BMM of both strains, a similar expression trend was visible on the level of untreated controls as well as after IFN-γ treatment. Differentially expressed genes between BMM of both strains included immune-relevant genes as well as genes linked to cell death, but the coverage of functional groups was limited. The bronchial epithelial cell line S9 was used as an in vitro model system for the infection with S. aureus RN1HG. The fourth chapter in this thesis includes S9 cell gene expression signatures 2.5 h and 6.5 h after start of infection. At the early time point, only 40 genes were differentially expressed, which nevertheless indicated a beginning pro-inflammatory response, e. g. induction of cytokines (IL-6, IFN-β, LIF) or prostaglandin-endoperoxide synthase 2 (PTGS2), but also counter-regulatory processes, e. g. induction of CD274. The host cell response was dramatically aggravated at the later 6.5 h time point. Differential expression was detected for 1196 genes. These included induced cytokines, pattern recognition receptor signaling, antigen presentation, and genes involved in immune defense (e. g. GBPs, MX, APOL). Negative effects on growth and proliferation were even more enhanced in comparison to the early time point, and signs for apoptotic processes were revealed. Finally, the last chapter addresses amongst others the pathogen’s expression profile in the S9 cell in vitro infection model at the two time points 2.5 h and 6.5 h after start of infection by tiling array gene expression analysis. The pathogen expression profiling revealed the activity of the SaeRS two-component system in internalized staphylococci. Partly dependent on SaeRS, the induction of adhesins (e. g. fnbAB, clfAB), toxins (hlgBC, lukDE, hla), and immune evasion genes (e. g. chp, eap) was observed. Furthermore, expression changes of metabolic genes were recorded (gene induction of amino acid biosynthesis, TCA cycle, gluconeogenesis; gene repression of glycolysis, purine biosynthesis, tRNA synthetases). Expression analysis recorded a distinct bacterial expression program, which supported literature results of a specific, bacterial strain and host cell line dependent transcriptional adaptation of the pathogen.
  • Diese Dissertation beschreibt Ergebnisse aus Transkriptomstudien zu verschiedenen Aspekten von Wirt-Erreger-Wechselwirkungen. Zunächst wurde das Lebergenexpressionsprofil aus einem Mausmodell für chronischen, psychischen Streß verwendet, um den Einfluß von Streß auf Metabolismus und Immunantwort zu verdeutlichen. Chronischer Streß führte in weiblichen BALB/c-Mäusen zu einem hypermetabolischen Syndrom einschließlich Auslösung von Gluconeogenese und Hypercholesterinämie und dem Verlust von essentiellen Aminosäuren, zur Auslösung einer Akute-Phase-Antwort, aber auch zu immunsupprimierenden Abläufen und zur Unterdrückung von hepatischer Antigenpräsentation. Gesteigerte Leukozyteneinwanderung, verstärkter oxidativer Streß einhergehend mit gegenregulatorischen Expressionsänderungen sowie Apoptose wurden detektiert. Der Einfluß einer i. v. Infektion auf die Nierengenexpression des Wirts wurde in einem Mausmodell vergleichend zwischen Staphylococcus aureus RN1HG und seiner isogenen sigB-Mutante analysiert. Das Expressionsprofil infizierter Nieren war sehr gut reproduzierbar. Der Vergleich mit nichtinfizierten Kontrollen zeigte eine starke, proinflammatorische Reaktion der Niere, z. B. „Toll-like“-Rezeptor-Signalweitergabe, Komplementsystem, Antigenpräsentation, IFN- und IL-6-Signalwege. Die Studie konnte keine Unterschiede im Mechanismus der Pathogenese von S. aureus RN1HG und seiner isogenen sigB-Mutante belegen, da sich die Wirtsantwort in beiden Fällen nicht unterschied. Effekte von SigB sind womöglich transienter Natur, nur zu früheren Zeitpunkten auffällig oder könnten in der in vivo Infektion auch von Einflüssen anderer Regulatoren überlagert sein. Möglicherweise besitzt SigB weniger Eigenschaften eines Virulenzfaktors als vielmehr eines Virulenzmodulators, der in vivo die Feinabstimmung der bakteriellen Reaktion übernimmt. Zusätzlich zu Expressionsanalysen an Gewebeproben wurden in vitro Modelle untersucht. Im dritten Teil dieser Dissertation wurde das Genexpressionsprofil von „bone-marrow derived macrophages“ (BMM) der Mausstämme BALB/c und C57BL/6, die nach Literaturangaben genetisch bedingte Unterschiede in ihrer Reaktion auf Infektion aufweisen, nach IFN-γ-Behandlung in serumfreien Kulturbedingungen analysiert. IFN-γ-Behandlung bewirkte in BMM beider Stämme hauptsächlich Geninduktion. Bekannte IFN-γ-Effekte wie die Induktion von Immunproteasom, Antigenpräsentation, Genen der Interferonsignalwege und von GTPasen/GBPs, sowie der induzierbaren NO-Synthase wurden bestätigt. IFN-γ-abhängige Expressionsänderungen waren zwischen BALB/c- und C57BL/6-BMM in hohem Maße ähnlich. Genexpressionsunterschiede zwischen BMM beider Mausstämme wiesen in Kontroll-BMM und nach IFN-γ-Behandlung einen sehr ähnlichen Trend auf. Die stammabhängig unterschiedlich exprimierten Gene schlossen immunrelevante und zelltodassoziierte Gene ein, aber die Abdeckung der funktionellen Gruppen war begrenzt. Die Bronchialepithelzellinie S9 wurde für die in vitro Infektion mit S. aureus RN1HG verwendet. Das vierte Kapitel beschreibt S9-Expressionssignaturen für die zwei Zeitpunkte 2,5 h und 6,5 h nach Beginn der Infektion. Zum frühen 2,5 h-Zeitpunkt wurde nur für 40 Gene differentielle Expression gemessen, die dennoch eine beginnende pro-inflammatorische Antwort zeigte, z. B. verstärkte Expression von Cytokinen (IL-6, IFN-β, LIF) oder Prostaglandinendoperoxidsynthase 2 (PTGS2), aber auch gegenregulatorische Prozesse wie die verstärkte Expression von CD274. Die Wirtsantwort verstärkte sich zum späteren 6,5 h-Zeitpunkt dramatisch, an dem differentielle Expression für 1196 Gene detektiert wurde. Darin waren Cytokine, Signalwege der Rezeptoren für bakterielle Strukturen, Antigenpräsentation und an der Immunantwort beteiligte Gene (z. B. GBP, MX, APOL) enthalten. Negative Auswirkungen auf Wachstum und Proliferation traten noch stärker auf als schon beim früheren Zeitpunkt beobachtet, und Zeichen apoptotischer Prozesse wurden sichtbar. Das letzte Kapitel befaßt sich schließlich mit Tiling-Array Genexpressionsanalysen von S. aureus RN1HG u. a. 2,5 h und 6,5 h nach Beginn der Infektion in dem in vitro Infektionsmodell der S9-Zellen. Das bakterielle Expressionsprofil zeigte die Aktivität des SaeRS Zwei-Komponenten-Systems in internalisierten Staphylokokken an. Zum Teil in Abhängigkeit von SaeRS wurde die stärkere Expression von Adhesinen (z. B. fnbAB, clfAB), Toxinen (hlgBC, lukDE, hla) und immunausweichenden Genen (z. B. chp, eap) beobachtet. Außerdem wurden Expressionsveränderungen metabolischer Gene deutlich (verstärkte Expression von Aminosäurebiosynthese, TCA-Zyklus , Gluconeogenese; verringerte Expression von Glycolyse, Purinbiosynthese, tRNA-Synthetasen). Die Expressionsanalyse erfaßte ein bakterielles Genexpressionsprogramm, welches Literaturangaben einer spezifischen, von der Bakterienstamm-Wirtszellinien-Kombination abhängigen, transkriptionellen Adaptation des Erregers bestätigte.

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Metadaten
Author: Maren Depke
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000917-9
Title Additional (German):Transkriptomstudien zur genomweiten Charakterisierung von Wirt-Erreger-Wechselwirkungen
Advisor:Prof. Dr. Uwe Völker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/02/09
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2010/12/22
Release Date:2011/02/09
Tag:Infektion, Staphylococcus aureus, Wirt-Erreger-Wechselwirkungen, chronischer psychischer Streß, sigB
Staphylococcus aureus, chronic psychological stress, host-pathogen interactions, infection, sigB
GND Keyword:In vitro, In vivo, Molekularbiologie, Transkriptomanalyse
Faculties:Universitätsmedizin / Arbeitsgruppe "Funktionelle Genomforschung"
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie