Comparative evaluation of Gram-positive membrane components in activating the innate immune system

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2009
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Rockel, Christoph T.
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Dissertation
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Zusammenfassung

Lipopolysaccharide (LPS) is the major immunostimulatory component of Gramnegative bacteria, but its counterpart in Gram-positive bacteria is still under discussion. Looking on the Gram-positive cell wall, three components are considered to be recognised by cells of the human innate immune system: Peptidoglycan (PGN), quantitatively the main component, lipoteichoic acid (LTA) as a similar amphiphile structure compared to LPS and lipoproteins (LP). To find out more about the immunostimulatory capacity of these membrane components, the first approach in this thesis was to screen public available literature for evidence, that cytokine release in humans is connected with one or more of the named components. This research was done systematically as a meta-analysis with the four well-known Koch-Dale (K/D) criteria with a restriction to human studies. Taken together, the results of the meta-analysis indicated that PGN and LPs might play a role in cytokine induction and therefore in immune recognition of Gram-positive bacteria in humans, but the evidence for LTA being the major immune stimulus in Gram-positive bacteria is strong as it is the only investigated molecule fulfilling all K/D criteria. The interesting findings of this meta-analysis needed to be investigated experimentally. The model organism for these investigations was Staphylococcus aureus (SA), which is a frequent human pathogen and often colonises humans asymptomatically, but is also able to induce severe infections in tissue or even spreading into the blood. In the second part of the thesis, three different SA 113 mutants, which were lacking lipoproteins (Δlgt) or wall teichoic acids (ΔTA) or possessed a reduced alanine content of the LTA (Δdlt) were compared to its corresponding wildtype with respect to their immunostimulatory capacity in human primary cells. We could finally show that the different mutants differ only marginally in their immunostilumatory capacity. Despite the strong evidence that LTA is a major immunostimulatory principle of Gram-positive bacteria, recent reports suggested that not LTA but lipoproteins are the dominant immunostimulatory structures of SA. Therefore we compared the LTA from SA 113 Δlgt and its corresponding wildtype in more detail. This study clearly shows major similarities between wt and lgt LTA, but differences in immunrecognition to synthetic lipoproteins. In summary, the results of this thesis contribute to the understanding of the innate immune response with the focus on cell wall components of Gram-positive bacteria. This may lead to new approaches to treatments against Gram-positive bacterial infections in the future.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Gram-negative Bakterien haben eine Struktur, die hauptsächlich für die Stimulation des menschlichen Immunsystems bei diesen Bakterien verantwortlich ist und Lipopolysaccharid (LPS) genannt wird. Das entsprechende Gegenstück in Grampositiven Bakterien wird hingegen kontrovers diskutiert. Die Gram-positive Zellwand besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten, die als immunstimulatorisch angesehen werden: Peptidoglykan (PGN), die quantitative Hauptkomponente, Lipoteichonsäure (LTA), welche eine ähnlich amphiphile Struktur wie LPS hat, und Lipoproteine. Um ein besseres Verständnis für die immunstimulatorischen Eigenschaften dieser Membrankomponenten zu erhalten, wurde zunächst bereits vorhandene Literatur nach Hinweisen analysiert, die auf eine Verbindung zwischen Zytokinausschüttung im Menschen und einer oder mehrerer dieser Verbindungen hinweist. Hierfür wurde eine systematische Meta-Analyse unter Zuhilfenahme der vier Postulate von Koch/Dale (K/D) durchgeführt, die auf humane Studien begrenzt wurde. Zusammenfassend weisen die Resultate dieser Meta-Analyse darauf hin, dass PGN und Lipoproteine eine Rolle in der Zytokinduktion und somit in der Immunerkennung von Gram-positiven Bakterien im Menschen spielen könnten. Jedoch gibt es profunde Hinweise, dass LTA die wichtigste immunstimulatorische Komponente von Gram-positiven Bakterien ist, da LTA als einziges Molekül alle vier Postulate erfüllt. Diese interessanten Befunde der Meta-Analyse wurden im Folgenden experimentell untersucht. Als Modellorganismus wurde Staphylococcus aureus (SA) gewählt, welches ein häufiges menschliches Pathogen ist und in der Lage ist, schwerwiegende Infektionen hervorzurufen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden drei verschiedene SA 113 Mutanten im Vergleich zum korrespondierenden Wildtyp und ihrer immunstimulatorischen Kapazität in menschlichen Primärzellen untersucht. Diese Mutanten zeichneten sich durch das Fehlen von Lipoproteinen (Δlgt) oder Wandteichonsäuren (ΔTA) bzw. eines reduzierten Alanin-Gehalts der LTA (Δdlt) aus. Hier zeigte sich, dass sich die Mutanten nur geringfügig in ihrer immunstimulatorischen Kapazität unterscheiden. Trotz der eindeutigen Hinweise, dass LTA die wichtigste immunstimulatorische Komponente der Gram-positiven Bakterien sei, zeigen jüngere Studien, dass Lipoproteine und nicht LTA die dominanten immunstimulatorischen Zellwandkomponenten seien. Daher haben wir LTA von SA 113 Δlgt und dem korrespondierenden Wildtyp detaillierter untersucht. Hierbei zeigte sich eine klare Gemeinsamkeit für die LTA des Wildtyps und der lgt-Mutante, aber ein deutlicher Unterschied zu syntetischen Lipoproteinen. Zusammenfassend tragen die Resutate dieser Studie zu dem Verständnis der angeborenenen Immunantwort im Hinblick auf Zellwandkomponenten von Grampositiven Bakterien bei. Dies könnte in Zukunft zu neuen Ansätzen in der Behandlung von Infektionen mit Gram-positiven Bakterien führen.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
Lipoproteine, Peptidoglykan, Innate Immunity, Lipoteichoic acid, Peptidoglycan, Lipoproteins
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ISO 690ROCKEL, Christoph T., 2009. Comparative evaluation of Gram-positive membrane components in activating the innate immune system [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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October 30, 2009
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