Transcriptom Analyse von Bordetella und humanen Phagozyten

, der Erreger des Keuchhustens (Pertussis), gilt, an der Zahl der Bordetella pertussis Todesfälle gemessen, weltweil als einer der zehn gefährlichsten Krankheitserreger. Pertussis führt, obwohl zur Profilaxe ein wirksamer Impfstoff zur Verfügung steht, nach wie vor zu fast 300.000 Todesfällen weltweit. Seit den 1980er Jahren, als in vielen Ländern der wirksamere Ganzkeimimpfstoff mit einem besser verträglichen azellulären Impfstoff ersetzt wurde, steigt die Inzidenz auch in den Industrienationen trotz hoher Impfrate. B. pertussis als typischer extrazellulärer Keim der die mit Cillien besetzten Bis vor kurzem galt B. Epithelzellen der Atemwege besiedelt. Erst kürzlich konnte auch gezeigt werden dass pertussis nach dem es von humanen Immunfresszellen aufgenommen wurde, der Wirtszelle und ihren bakteriziden Mechanismen entkommen kann und in der Zelle überlebt. Dabei sind die Details wie der Keim die Wirtszelle und seine Abwehrprogramme beeinflusst großteils unbekannt. B. pertussis sich in der Dieser Projektantrag wird von der zentralen Hypothese geleitet, dass Wirtszelle aktive eine Nische schafft, die das eigene Überleben ermöglicht. Zu diesem Zweck planen wir eine kürzlich entwickelte Methode, die sogenannte duale RNA Sequenzierung (dual RNAseq) einzusetzen, um den Krankheitserreger und die befallene Wirtszelle, bzw. deren Transkriptome, simultan zu untersuchen. Die sich daraus ergebenden Zeitreihen an Genexpressionsdaten werden in einem komparativen Ansatz zwischen infizierten und nicht infizierten Systemen verglichen, um daraus Coregulierte Gengruppen zu bestimmen. Auf Grund der gleichgeschalteten Regulierung kann angenommen werden dass diese Gene wahrscheinlich an ähnlichen Prozessen in der Zelle beteiligt sind, bzw. sich gegenseitig ten beeinflussen. Daraus widerum lassen sich Gene die poell der Virulenz des Erregers zi dienen, bzw. deren Regulatoren, bestimmen. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf sogenannte kleine RNA Moleküle (small RNA) gelegt. Das dabei entstehende Muster an funktionalen Beziehungen zwischen den Genen ist hilfreich um die Prinzipien der intrazellulären bakteriellen Infektion und der dagegen gerichteten Abwehrmechanismen, besser zu verstehen. Dies wiederum kann einem effizienteren Design von neuen Ganzkeimimpfstoffe, mit der selben Wirksamkeit bei erhöhter Verträglichkeit, dienen.

Keuchhusten (Pertussis) ist eine hochansteckende Infektionskrankheit der Atemwege, welche durch den Erreger Bordetella pertussis verursacht wird. Trotz der Verfügbarkeit eines wirksamen Impfstoffes und obwohl der Mensch der einzige Wirt von B. pertussis ist, konnte Keuchhusten nie ganz zum Verschwinden gebracht werden. Gerade für Neugeborene geht nach wie vor eine reale Gefahr von B. pertussis aus, und das auch in Gesellschaften mit einer relativ hoher Durchimpfraten. In den vergangenen Jahren ließ sich sogar ein Wiederanstieg der Fallzahlen in westlichen Industriestaaten beobachten. Damit gilt Keuchhusten als eine der am meist verbreitetsten, durch einen Impfstoff verhütbare Krankheit der westlichen Welt. Daher ist es von zentraler Bedeutung mehr über den Verursacher, B. pertussis, seine Weiterverbreitung und seine Interaktion mit dem Wirten zu verstehen. Mit diesem Wissen lassen sich potentiell noch besser wirksame Impfstoffe entwickeln. Bisher galt B. pertussis als ein extrazelluläres Bakterium, das die Schleimhäute der unteren Atemwege besiedelt. Neuere Forschungsergebnisse legen nahe, dass B. pertussis auch in menschlichen Immunzellen, die eigentlich zur Beseitigung der Erreger dienen, überleben können. Ob dies auch eine relevante Rolle im Krankheitsverlauf bzw. in der Krankheitsübertragung spielt, ist nach wie vor umstritten. Das vorliegende FWF Forschungsprojekt zielte auf die Beantwortung dieser Frage ab. Zu diesem Zweck wurde von unserem tschechischen Kooperationspartner, Dr. Vecerek, ein System entwickelt wie in einer Zellkultur menschliche Immunzellen mit B. pertussis infiziert werden können. Diese Kulturen wurden mit einer Technik die sich dual RNA-seq nennt untersucht. Dabei wird das Transkriptom, d.h. die Gesamtheit aller translatierten Gene, vom Wirt under dem Erreger gleichzeitig quantifiziert. Somit erhält man eine Momentaufnahme wie aktive jedes Gen zum Untersuchungszeitpunkt ist. Diese Daten geben Aufschluss darüber wie der Wirt sich (erfolglos) gegen den Eindringling wehrt, bzw. wie der Eindringling sich vor dem Wirt versteckt oder seine Angriffe unterläuft. Dazu werden allerdings aufwendige Analyseverfahren benötigt, wie sie im Rahmen dieses Projekts entwickelt wurden. So konnten wir zeigen dass B. pertussis im Laufe der intrazellulären Infektion die Ausbildung eines großteils seines Waffenarsenals, auch Virulenzfaktoren genannt, stark reduziert. Dies deutet darauf hin dass B. pertussis aktiv versucht sich zu verstecken. Die infizierten Makrophagen, die normalerweise auf die Art der Infektion angepasste Abwehrprogramme starten, werden von den Erregern dazu gebracht, verschiedene Programme gleichzeitig zu aktivieren. Als potentielle Konsequenz verunmöglicht der Erreger dadurch, dass sich der Wirt mit dem effizientesten Abwehrprogramm gegen die Infektion wehrt, wodurch eventuell auch Bakterien profitieren, die sich extrazellulär vermehren. Falls sich in Folgestudien bestätigen lässt, dass diese im vereinfachten Infektionsmodell beobachtete Prozesse auch im an Keuchhusten erkrankten Patienten auftreten, könnte dieses Wissen dazu beitragen verbesserte Behandlungs- und Präventionsmaßnahmen zu entwickeln.