Mikroevolution pathogener Hefen während der Interaktion mit dem Wirtsimmunsystem

Die humanpathogenen Pilze Candida albicans und C. glabrata sind die häufigsten Erreger lebensbedrohlicher Candidämien. Als Kommensale und opportunistische Pathogene können sich beide Pilze an verschiedenste Wirtsnischen anpassen. In diesem Projekt planen wir in vitro- und in vivo-Mikroevolutionsexperimente, um die Anpassungsfähigkeit dieser Pilze an den Wirt zu untersuchen. Dazu sollen C. glabrata- Hefen kontinuierlich und über lange Zeiträume Makrophagen ausgesetzt werden und genetische, phänotypische und transkriptionelle Änderungen verfolgt werden. In einem vergleichbaren Versuch werden wir eine C. albicans-Mutante, die ihre Fähigkeit zur Hyphenbildung verloren hat, Makrophagen aussetzen. Im Wildtyp sind Hyphen essentiell für die Pathogenese und das Ausbrechen aus Phagocyten. Es soll verfolgt werden, wie die Mutante überlebt und über Restrukturierung ihrer transkriptionellen Netzwerke (transcriptional rewiring) die Fähigkeit zur Hyphenbildung wiedererlangt. Schliesslich untersuchen wir die Fähigkeit zur nischenspezifischen Adaptation bei C. albicans im Wirt. Hierzu werden wir über serielle Reisolation und Infektion in einem Mausmodell den Organtropismus und die zugehörigen genetischen und transkriptionellen Änderungen verfolgen und mit klinischen Isolaten aus verschiedenen Wirtsnischen vergleichen. Spezifische Anpassungen stellen mögliche neue, bisher verdeckte Pathogenitätsfaktoren und -mechanismen dar.

Der human-pathogen Pilz Candidaglabrata ist ein monomorpher Hefe-artiger kommensaler Krankheitserreger, der bei immunsupprimierten Patienten lebensbedrohliche systemische Infektionen verursachen kann. Im Gegensatz dazu löst Candidaglabrata in Mausinfektionsmodellen allerdings kaum Entzündungsreaktionen aus, und lässt sich noch nach Wochen noch aus infizierten Mäusen isolieren. Candidaglabrata ist in der Lage im Wirt persistente Infektionen zu verursachen. Auch primäre Immunzellen, wie beispielsweise Makrophagen oder Dendritische Zellen, zeigen bei Invasion durch Candidaglabrata kaum entzündliche Immunreaktionen. Tatsächlich kann der Pilz in Phagozyten überleben und sich sogar in ihnen vermehren. Die Phagosomenreifung, die normalerweise zum Abtöten der aufgenommenen Mikroben essentiell ist, wird offenbar durch C.glabrata gehemmt. Dieser Pilz ist im Gegensatz zu der verwandten Spezies Candida albicans, hochresistent gegenüber der Immunüberwachung sowie auch gegen die übliche antifungale Therapien mit Azolen.In diesem Projekt wurden daher mittels quantitativer genomweiter inter-spezies Genexpressionanalyse, sowie mittels in vitro / ex vivo Mikroevolutionsexperimenten in Immunzellen, mögliche Mechanismen erforscht mit deren Hilfe C.glabrata dem Abtöten durch Phagozyten während der Immunüberwachung entgeht. Dabei wurde auch ein Augenmerk auf den Vergleich zu dem dimorphen verwandten Pilz Candida albicans gelegt. Die dynamische genomweite Analyse der Genexpressionsmuster von C. glabrata und C. albicans sowie der Wirtsimmunzellen während der Pilz Invasion von Makrophagen, und Dendritischen Zellen, sowie der Einsatz von mathematischer / bioinformatischer Modellierung von experimentellen Genexpressionsdaten erlaubte die Entdeckung des ersten inter-spezies Regulationsnetzwerkes in Candida spp. Dies Netzwerke beinhalten sowohl eine Regulator aus Candida sowie auch einen aus Mausimmunzellen. Mithilfe von C.glabrata und C. albicans Mutantenbibliotheken wurden diese regulatorischen Netzwerke experimentell verifiziert. Weiters konnten erste Hinweise auf neue Mechanismen erhalten werden, mit deren Hilfe Candida spp der Immunüberwachung durch den Wirt entgehen können. So wurden erste Hinweise erhalten, dass alternatives Prozessieren von Pilzgenen eine Rolle bei der Invasion von Immunzellen spielen könnte. Weiters konnte in Mikroevolutionsexperimenten gezeigt werden, dass die Immunüberwachung durch den Wirt die Evolution und Ausprägung von Virulenzfaktoren wie etwa morphogenetische Veränderungen (Filamentierung) beschleunigen oder gar im Falle von genetischen Defekten sogar wieder auslösen kann. Schlussendlich erlauben die Ergebnisse Rückschlüsse auf mögliche Mechanismen mit deren Hilfe C.glabrata seine Persistenz in den Immunzellen des Wirtes etabliert. Die aus diesem Projekt resultierenden Publikationen finden sich im Detail in der Publikationsliste.