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Internalization of fibronectin-binding S. aureus into mammalian cells via integrins and membrane microdomains

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2009

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Internalisierung von Fibronektin-bindenden S. aureus in Säugerzellen über Integrine und Membran-Mikrodomänen
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
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Zusammenfassung

Staphylococcus aureus is one of the leading nosocomial pathogens in industrialized countries. It can cause diseases from mild to severe infections by expressing a wide range of virulence factors, including superantigens, toxins and several of adhesins. The fibronectin-binding proteins (FnBPs) play an essential role for the tight adherence of the bacteria to their host cells. The adhesion of the bacteria via FnBPs to integrin α5β1 leads to the recruitment of a focal adhesion like complex and the rearrangement of the actin cytoskeleton resulting in the internalization of S. aureus by non-professional phagocytes. In this study we analyzed, how the bacterial protein FnBP turns the cell adhesion receptor integrin α5β1 into an endocytotic molecule. Therefore, we addressed the structure-function relationship of FnBPs and functionally characterized cellular components, which are involved in the internalization of S. aureus in vitro. Interestingly an accumulation of GM1-enriched membrane microdomains to cell attached S. aureus and also to FnBP-A coupled beads was observed. By using a panel of genetically deficient mouse fibroblasts, we were able to demonstrate that besides integrin β1, none of the characterized integrin/actin-associated proteins was required for MM recruitment. Furthermore, we could determine a crucial role for membrane microdomains in bacterial uptake as disruption of microdomains leads to a dramatic decrease of internalized bacteria. Thereupon we investigated microdomain associated proteins concerning their role in pathogenic uptake and surprisingly we observed enhanced pathogenic internalization in caveolin1 knockout cells suggesting an inhibitory role for caveolin1. Caveolin1 is a major component of a special subtype of microdomains, caveolae, that are highly immobile fractions within the plasma membrane. We could demonstrate that membrane mobility directly correlates with bacterial uptake. By enhancing membrane mobility using different temperatures or reagents, numbers of internalized bacteria increased. Our data foster the assumption that numbers of internalized bacteria increase during the infection process caused by increased body temperature and therefore enhanced membrane mobility. After recruitment of membrane microdomains also a focal adhesion like complex is recruited to cell attached S. aureus. Several proteins have been shown to be important for the uptake process, such as FAK, Src-PTKs and cortactin. Interestingly, vinculin-deficient mouse embryonic fibroblasts showed an increased bacterial uptake. Using a vinculin mutant, which cannot bind to PIP2 anymore we could almost restore numbers of internalized bacteria comparable to vinculin knockout cells. We conclude that through the mutation of PIP2 binding or loss of vinculin at all, the level of PIP2 in cell increases resulting in enhanced bacterial internalization. PIP2 plays not only a role in migration, proliferation and in numerous other signal transduction pathways but also activates several proteins that are known to be involved in the uptake process of S. aureus. Previous in vivo and in vitro studies revealed that S. aureus FnBP alone is necessary and sufficient to drive bacterial uptake into mammalian cells. Recently, we sequenced FnBP from S. aureus Cowan strain and expressed different FnBP-A domains as recombinant fusion proteins. Now, we had a perfect tool, to analyze these domains regarding to their ability of Fn binding, internalization in host cells and adherence to host cells. Furthermore we had now the opportunity to compare the FnBP B-domain of S. aureus Cowan and NCTC 8325 strain. Our results lead to the assumption that in contrast to the B domain of NCTC 8325 strain, the B domain of Cowan strain showed enhanced internalization, adherence and Fn binding, which directly correlates with enhanced invasiveness. Furthermore we could demonstrate that binding of FnBP-A domains to Fn results in a conformational change from a "compact" to an "extended" state exposing ligand binding sites. This is a highly interesting observation as an activation of Fn by virulence factors was not detected until now. In summary the data obtained in this study provide an advanced view on the internalization process of pathogenic S. aureus into mammalian host cells but also for the general process of integrin internalization.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Staphylococcus aureus ist einer der weit verbreitesten nosokomialen Pathogene in industrialisierten Ländern. Krankheiten, die durch S. aureus verursacht werden, reichen von milden Infektionen der Haut zu ernsthaften Erkrankungen wie Endokarditis. S. aureus exprimiert eine große Anzahl von Virulenzfaktoren, einschließlich Superantigene, Toxine and eine Vielzahl von Adhäsinen. Die Fibronektin-Bindeproteine (FnBPs) spielen eine entscheidende Rolle bei der engen Anheftung des Bakteriums an Wirtszellen. Die Adhäsion der Bakterien, über die FnBPs an den Wirtzellrezeptor Integrin α5β1, führt zu der Rekrutierung des Fokal-Adhäsions Komplexes, der Umstrukturierung des Aktin Zytoskeletts und letztendlich zu der Aufnahme von S. aureus durch nicht-professionelle Phagozyten. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie FnBPs den Zelladhäsions-Rezeptor Integrin α5β1 in ein endozytotisches Molekül verwandeln. Deswegen fokussierten wir unsere Untersuchungen auf die Verbindung zwischen Struktur und Funktion von FnBPs und die funktionelle Charakterisierung zellulärer Komponenten, die in den Aufnahmeprozess von S. aureus involviert sind. Interessanterweise wurde eine Rekrutierung von GM1-angereicherten Membran-Mikrodomänen zu zellgebundenen Bakterien und FnBP-A Domänen gekoppelten Beads beobachtet. Wir konnten mit verschiedenen genetisch defizienten Mausfibroblasten zeigen, dass die Akkumulierung von Membran Mikrodomänen zwar abhängt von Integrin β1 aber unabhängig von Integrin- und Aktin-assoziierten Proteinen ist. Durch die Zerstörung der Membran-Mikrodomänen konnte die Aufnahme von Bakterien in die Zellen blockiert werden, was auf eine wichtige Rolle der Mikrodomänen für die Aufnahme von S. aureus in Wirtszellen hinweist. Daraufhin wurden Mikrodomänen-assoziierte Proteine hinsichtlich ihrer Funktion bei der Aufnahme untersucht und es konnte eine inhibitorische Rolle für Caveolin1 gezeigt werden. Caveolin1 ist das charakteristische Protein der Caveolae, eine Untergruppe der Membran Mikrodomänen, die stark immobil sind. Hier konnten wir zeigen, dass eine erhöhte Membran-Mobilität im direkten Zusammenhang mit erhöhter bakterieller Aufnahme steht. Durch die Erhöhung der Membrane-Mobilität durch Temperaturanstieg oder Reagenzien stieg die Anzahl der aufgenommenen Bakterien. Unsere Daten fördern daher die Annahme, dass durch Infektionen verursachtes Fieber, sich die Zahl der aufgenommen Bakterien durch die Erhöhung der Membran- Mobilität erhöht. Nachdem Membran-Mikrodomänen rekrutiert wurden, wird ein Fokal-Adhäsions Komplex zu den zellgebundenen Bakterien rekrutiert. Für eine Vielzahl von Proteinen konnte eine wichtige Rolle für den Aufnahmeprozess gezeigt werden, z.B. für FAK, SRC-PTKs und Cortactin. Interessanterweise zeigten Vinculin-defiziente Mausfibroblasten einen dramatischen Anstieg an aufgenommen pathogenen Bakterien. Nach dem Einbringen einer Vinculin-Mutante, die kein PIP2 mehr binden kann, war die Anzahl an internalisierten Bakterien vergleichbar mit Vinculindefizienten Zellen. Wir schlussfolgern daraus, dass durch die Mutierung der PIP2 Bindestelle im Vinculin oder durch den völligen Verlust von Vinculin das allgemeine Level an PIP2 in der Zelle steigt und zu einer höheren Aufnahme von S. aureus führt. PIP2 spielt nicht nur eine wichtige Rolle bei Migration, Proliferation und einer Vielzahl anderer Signal-Transduktionswege spielt sondern aktiviert eine Vielzahl von Proteinen, die ebenfalls bei dem Aufnahmeprozess involviert sind. Vorangegangene in vivo und in vitro Studien haben deutlich gemacht, dass das S. aureus FnBP-A allein notwendig und ausreichend für die Initiierung der bakteriellen Aufnahme in Säugerzellen ist. Wir haben das FnBP-A von S. aureus Cowan sequenziert und verschiedene FnBP-A Domänen rekombinant exprimiert. Mit diesem idealen Werkzeug konnten wir diese Domänen hinsichtlich ihrer Fähigkeit Fibronektin zu binden, an Zellen zu adhärieren und in Zellen einzudringen untersuchen. Weiterhin haben wir die FnBP-A B Domänen von zwei unterschiedlichen S. aureus Stämmen untersucht und herausgefunden, dass die B Domäne von S. aureus Cowan stärker an Fibronektin und Zellen bindet und eine höhere Aufnahme zeigt als die B Domäne von S. aureus NCTC 8325, was mit der höheren Invasivität korreliert. Außerdem konnten wir zeigen, dass die Bindung von FnBP-A Domänen an Plasma Fibronektin zu einer Konformationsänderung von einer "kompakten" hin zu einer "entspannten" Konformation von Fibronektin führt. Da bisher noch keine Konformationsänderung von Fibronektin durch die Bindung von Virulenzfaktoren nachgewiesen werden konnte, ist das eine sehr interessante Beobachtung. Zusammenfassend geben die Daten, die in dieser Arbeit erzielt wurden, einen verbesserten Einblick in den Internalisierungprozess von S. aureus in Wirtszellen aber auch in den allgemeinen Prozess der Integrin Internalisierung.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

S. aureus, Integrins, Fibronectin, caveolin-1, infection

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ISO 690HOFFMANN, Christine, 2009. Internalization of fibronectin-binding S. aureus into mammalian cells via integrins and membrane microdomains [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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October 30, 2009
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