Genetische Switchmechanismen und Pathogenität von Mycoplasma agalactiae

Mycoplasma agalactiae ist eine bei Schaf und Ziege vorkommende pathogene Mykoplasmenart, die als Erreger der Kontagiösen Agalaktie ökomisch bedeutsame Schäden verursacht, deren Pathogenitätsmechanismen jedoch noch weitgehend unverstanden sind. Die wichtigsten immunodominanten Oberflächenmembranproteine dieses Erregers, die sogenannten Vpmas, variieren in ihrer Expression mit ungewöhnlich hoher Frequenz infolge von DNA- Inversionen. Diese Umlagerungen werden durch die ortsspezifische Xer1 Rekombinase gesteuert, die von einem einer Pathogenitätsinsel ähnlichen Genlokus kodiert wird. Die gezielte Ausschaltung des xer1-Gens und die Herstellung von sog. "Phase-locked" Mutanten (PLMs), welche nicht mehr befähigt sind, zu einem anderen Vpma- Phänotyp zu wechseln, war daher ein entscheidender Durchbruch, der die Grundlage zur Klärung der Rolle der Vpmas in der molekularen Pathogenese unter in vivo-Bedingungen im natürlichen Wirt gelegt hat. Die im Rahmen von experimentellen Infektionsstudien an Schafen gemachte Entdeckung, dass offensichtlich unter dem Einfluss der Wirtsimmunantwort bei Fehlen der Xer1-Rekombinase ein alternativer Mechanismus der Vpma-Phasenvariation aktiviert wird, zeigte die Bedeutung der Vpma-Phasenvariation als wichtigen Adaptations- und Überlebensmechanismus von M. agalactiae im Zuge einer Infektion. In diesem Projekt werden diese von Xer1 unabhängigen Vpma-Switchmechanismen, die in vivo aktiviert werden, ebenso wie die Wirtsfaktoren, die diese Switchmechanismen auslösen, genau definiert und charakterisiert, mit dem Ziel, die maßgebliche Rolle der Vpma- Phasenvariation als Überlebensstrategie während einer Infektion zu bestätigen. Die Ergebnisse dieses Projektes lassen nicht nur neue Erkenntnisse über die Vpma-Oberflächenantigenvariation und ihre Regulation in Reaktion auf Wirtsfaktoren erwarten, sondern werden darüber hinaus auch zu einem besseren Verständnis der Rolle der verschiedenen Vpma-Proteine in der Pathogen-Wirt-Interaktion beitragen. Untersuchungen zur Fitness, zum pathogenem Potential und zum Gewebetropismus der verschiedenen Vpma PLMs unter Verwendung des bereits etablierten Infektionsmodells werden die Funktion der Vpma-Proteine näher analysieren und neue Einblicke in die Infektionsbiologie und die Pathogenitätsmechanismen von M. agalactiae auf molekularer Ebene ermöglichen, die für zukünftige Strategien in der Impfstoffentwicklung zur Prävention der Kontagiösen Agalaktie von Bedeutung sein könnten.

Mycoplasma (M.) agalactiae ist eine bei Schaf und Ziege vorkommende Mykoplasmenart, die als Erreger der therapieresistenten Kontagiösen Agalaktie ökonomisch bedeutsame Schäden verursacht. Die Pathogenitätsmechanismen von M. agalactiae sind weitgehend unverstanden. Die sechs wichtigsten Oberflächenmembranproteine des Erregers, die sogenannten Vpma (variable proteins of M. agalactiae) variieren in ihrer Ausbildung infolge von DNA-Inversionen mit ungewöhnlich hoher Frequenz (Phasenvariation oder Switching). Diese Umlagerungen werden in einem Pathogenitätsinsel-ähnlichen Genlokus durch die ortsspezifische Xer1-Rekombinase gesteuert. Die gezielte Ausschaltung des xer1-Gens und die Herstellung von sogenannten phase-locked-Mutanten (PLMs), die in vitro nicht mehr befähigt sind zu einem anderen Vpma-Phänotyp zu wechseln, legte den Grundstein zur Klärung der Rolle der Vpma- Proteine in der molekularen Pathogenese unter in vivo Bedingungen. Ziel des Projekts war es daher, die Bedeutung der Vpma-Phasenvariation und die Pathogenität der sechs einzelnen Vpma-Proteine durch vergleichenden Einsatz von PLMs und phasenvariablen Wildtyp (M. agalactiae PG2) in einem Schaf- Infektionsmodell aufzuzeigen. Obwohl alle sechs eingesetzten PLMs den Wirt erfolgreich infizierten, konnten doch signifikante Unterschiede hinsichtlich ihres Kolonisierungs- und Infektionspotentials beobachtet werden. Im Rahmen von in vitro Adhäsionsstudien war dies auf Unterschiede hinsichtlich des Bindungsvermögens einzelner PLMs an Epithelzellen zurückzuführen. In diesen Bindungsstudien konnte neben der Adhäsionsfunktion einzelner Vpma-Proteine erstmalig die Fähigkeit von M. agalactiae, Zellen zu invadieren aufgezeigt werden. Dabei korrelierte das Zellinvasionspotential einzelner PLMs sowohl mit deren Bindungseigenschaften als auch mit ihrer Fitness im Wirtsorganismus. Bemerkenswert erscheint außerdem der Nachweis von PLM-Erregerisolaten mit abweichendem Vpma-Expressionsstatus. Offensichtlich wird unter dem Einfluss der Wirtsimmunantwort ein Xer1-unabhängiger, alternativer Mechanismus der Phasenveränderung aktiviert. Der Phasenwechsel beruht hierbei auf komplexe inter- und intragenische Umlagerungen, die zur Ausbildung neuer chimärer vpma-Gene führen, was wiederum die bedeutende Rolle der Vpma-Phasenvariation als Adaptations- und Überlebensstrategie von M. agalactiae im Zuge einer Infektion verdeutlicht. Im Rahmen des Infektionsversuches konnte außerdem erstmalig die lokale Wirtsantwort im infizierten Eutergewebe studiert und die Regulation von Wirtsfaktoren, insbesondere die der angeborenen und erworbenen Immunität detailliert analysiert werden. Zusammenfassend lieferten die durchgeführten Studien wesentliche Einblicke in die Infektionsbiologie und die Pathogenitätsmechanismen von M. agalactiae auf molekularer Ebene, die in Zukunft strategisch in der Impfstoffentwicklung zur Prävention der Kontagiösen Agalaktie von Bedeutung sein werden.