Kon­trol­le der Schutz­hül­le von Bakterien

Heli­co­bac­ter pylo­ri, ein Magen­keim, weiß, wie er sich gegen Angrif­fe des Immun­sys­tems oder durch Anti­bio­ti­ka schüt­zen kann. Einem For­schungs-Team der Uni Würz­burg ist es gelun­gen, neue Details die­ser Fähig­keit zu entschlüsseln.
Heli­co­bac­ter pylo­ri ist welt­weit ver­brei­tet. Exper­ten schät­zen, dass etwa die Hälf­te der Mensch­heit das Bak­te­ri­um in sich trägt – bevor­zugt im Magen. Dank diver­ser Anpas­sun­gen ist Heli­co­bac­ter vor der extrem sau­ren Umge­bung geschützt und kann sich in der Magen­schleim­haut dau­er­haft ansie­deln und ver­meh­ren. Vor allem die Fähig­keit, die Struk­tu­ren auf der Ober­flä­che sei­ner Hül­le äußerst varia­bel zu gestal­ten, hilft dem Bak­te­ri­um dabei, sich in die­ser an und für sich feind­li­chen Umwelt zu behaup­ten. Mit dem glei­chen Trick weiß er sich vor dem Immun­sys­tem sei­nes Wirts zu verbergen.
Wie es das macht: Dazu hat eine Grup­pe von Wis­sen­schaft­le­rin­nen der Juli­us-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät Würz­burg (JMU) gemein­sam mit Kol­la­bo­ra­ti­ons­part­ne­rin­nen am Insti­tut Pas­teur in Paris jetzt neue Details ent­schlüs­selt. Dem Team ist es gelun­gen, ein Gen zu iden­ti­fi­zie­ren, das an der Syn­the­se der Ober­flä­chen­struk­tu­ren der Bak­te­ri­en betei­ligt ist.
Wei­ter­hin konn­te es zei­gen, dass eine klei­ne RNA die Expres­si­on die­ses Gens modu­lie­ren und damit die Beschaf­fen­heit der Ober­flä­chen­struk­tu­ren vari­ie­ren kann. Auf die­se Wei­se schafft es Heli­co­bac­ter pylo­ri nicht nur, dem Immun­sys­tem zu ent­kom­men, son­dern auch sei­ne Emp­find­lich­keit gegen­über bestimm­ten Anti­bio­ti­ka zu variieren.

Publi­ka­ti­on in Natu­re Communications

Die Ergeb­nis­se ihrer Unter­su­chun­gen haben die For­sche­rin­nen jetzt in der Fach­zeit­schrift Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons ver­öf­fent­licht. Ver­ant­wort­lich dafür ist Cyn­thia Shar­ma, Lei­te­rin des Lehr­stuhls für Mole­ku­la­re Infek­ti­ons­bio­lo­gie II und Spre­che­rin des Zen­trums für Infek­ti­ons­for­schung der JMU.
Lipo­po­lys­ac­cha­ri­de (LPS): So lau­tet der Fach­be­griff die­ser Ober­flä­chen­struk­tu­ren, für die sich Shar­ma und ihr Team inter­es­sie­ren. Dabei han­delt es sich um Ver­bin­dun­gen aus fett­ähn­li­chen (Lipo-) Bestand­tei­len und Zucker (Polys­ac­cha­rid), die in der äuße­ren Mem­bran von Bak­te­ri­en wie Heli­co­bac­ter zu fin­den sind. „Heli­co­bac­ter pylo­ri pro­du­ziert ein im Ver­gleich zu ande­ren Bak­te­ri­en ein­zig­ar­ti­ges Lipo­po­lys­ac­cha­rid, das wich­ti­ge Funk­tio­nen im Infek­ti­ons­pro­zess über­nimmt. Ohne die­ses Mole­kül könn­te das Bak­te­ri­um den mensch­li­chen Magen nicht besie­deln oder dort dau­er­haft über­le­ben“, erklärt Sharma.
Auf der ande­ren Sei­te ist LPS einer der stärks­ten Sti­mu­la­to­ren des Immun­sys­tems. Damit ein Orga­nis­mus eine Infek­ti­on mit Heli­co­bac­ter wir­kungs­voll bekämp­fen kann, müs­sen sei­ne Immun­zel­len die­se Struk­tu­ren erken­nen kön­nen. Das zu ver­hin­dern haben die Bak­te­ri­en im Lau­fe der Evo­lu­ti­on gelernt: „Wäh­rend einer Infek­ti­on modi­fi­zie­ren vie­le Krank­heits­er­re­ger ihre LPS-Syn­the­se sowie deren Struk­tur. Auf die­se Wei­se kön­nen sie der Erken­nung durch das Immun­sys­tem ent­kom­men“, sagt Sharma.

Weit ver­streu­te Gene

Obwohl die zen­tra­le Rol­le der Lipo­po­lys­ac­cha­ri­de für die erfolg­rei­che Infek­ti­on des Wirts durch bestimm­te Bak­te­ri­en bekannt ist, ist der Syn­the­se­weg die­ser Mole­kü­le im Fall von Heli­co­bac­ter pylo­ri noch nicht kom­plett ent­schlüs­selt. „Dies könn­te dar­auf zurück­zu­füh­ren sein, dass die Gene, die für die LPS-Syn­the­se ver­ant­wort­lich sind, über das gesam­te Erb­gut des Bak­te­ri­ums ver­streut sind“, ver­mu­tet Shar­ma. Gemein­sam mit ihrem Team ist es ihr jetzt gelun­gen, ein essen­ti­el­les Pro­te­in in die­sem Vor­gang zu identifizieren.
Soge­nann­te „hyper­va­ria­ble Simp­le Sequence Repeats (SSRs)“ sind eine der Haupt­quel­len für die Ver­än­de­run­gen der Lipo­po­lys­ac­cha­ri­de. Bei ihnen han­delt es sich um kur­ze DNA-Sequen­zen, die wäh­rend der Zell­tei­lung zufäl­lig in der Län­ge vari­iert wer­den und dar­über die Expres­si­on von Genen beein­flus­sen. Die Arbeits­grup­pe konn­te in vor­he­ri­gen Arbei­ten zei­gen, dass sol­che SSRs auch Angriffs­punk­te für klei­ne regu­la­to­ri­sche RNAs (sRNAs vom Eng­li­schen small RNA) sind, einer wich­ti­ger Klas­se von Regu­la­to­ren, die bei­spiels­wei­se unter Stress­be­din­gun­gen oder wäh­rend einer Infek­ti­on die Genex­pres­si­on kontrollieren.

Gra­du­el­le Resis­tenz gegen Antibiotika

In der jetzt ver­öf­fent­lich­ten Stu­die zei­gen die Betei­lig­ten, dass eine bestimm­te sRNA mit dem wis­sen­schaft­li­chen Namen RepG (Regu­la­tor of poly­me­ric G‑repeats) in Heli­co­bac­ter pylo­ri die Syn­the­se des LPS kon­trol­liert, indem es die Expres­si­on eines Gens modu­liert, das für die­sen Pro­zess von Bedeu­tung ist. Das Zusam­men­spiel der ver­schie­de­nen Betei­lig­ten ermög­licht eine schritt­wei­se Kon­trol­le der LPS-Bio­syn­the­se durch die sRNA.

„Auf die­se Wei­se kann die regu­la­to­ri­sche RNA die Struk­tur der Lipo­po­lys­ac­cha­ri­de fein abge­stimmt regu­lie­ren und damit die Emp­find­lich­keit gegen­über Anti­bio­ti­ka beein­flus­sen und die Gefahr redu­zie­ren, vom Immun­sys­tem des Wirts erkannt zu werden.“
—  San­dy Wes­ter­mann, Erst­au­torin der Studie