Campus Vienna Biocenter: Nano-Strukturen des Infektionsapparates von Salmonellen aufgeklärt

(11.06.2006) Die Strukturveränderung eines molekularen Infektionsapparates dient bei Salmonellen gleichzeitig als Signal zum Beenden seines weiteren Aufbaus. Details dieses eleganten Rückkoppelungs-Systems auf Nano-Ebene werden in der heutigen Ausgabe vom 1. Juni 2006 der Fachzeitschrift NATURE veröffentlicht.

Das bessere Verständnis über den Aufbauvorgang des nadelartigen Sekretionskanals dieses Erregers bietet zukünftig neue Ansatzmöglichkeiten zur Verhinderung des Infektionsprozesses. Die Ergebnisse des Teams um Thomas Marlovits, der als gemeinsamer Gruppenleiter von IMP und IMBA den neuen "Vienna Spot of Excellence" am Campus Vienna Biocenter leiten wird, konnten durch Kryoelektronenmikroskopie wissenschaftlich exakt und anschaulich geklärt werden.

Salmonellen verursachen Typhus und Lebensmittelvergiftungen. Wichtiges Strukturmerkmal des Infektionsprozesses dieses Bakteriums ist das so genannte "Typ III secretion system" (TTSSa). Dieses erlaubt es, Bakterienproteine in die Wirtszelle einzuschleusen. Die zentrale Rolle des Apparates hat eine hohlnadelartige Struktur, deren Länge entscheidend für den erfolgreichen Infektionsprozess ist.

Wie beim Aufbau dieser biologischen Nano-Maschine die genaue Länge der Nadel sichergestellt wird, konnte Dr. Thomas C. Marlovits, wissenschaftlicher Leiter eines "Vienna Spot of Excellence", mit KollegInnen aus den USA nun klären. Dazu Marlovits: "Als schönes Beispiel für molekulares Multi-tasking ist das TTSSa nicht nur für den Transport von Bakterienproteinen in die Wirtszelle zuständig, sondern auch für seinen eigenen Aufbau aus gut 200 einzelnen Strukturproteinen. Dabei wird die Länge der Nadelstruktur durch einen raffinierten Mechanismus gesteuert. Kernstück dieses Mechanismus ist die Veränderung der Spezifität des TTSSa für unterschiedliche Proteine. Hat das TTSSa während der Anfangsphase des Aufbaus noch eine hohe Spezifität für seine eigenen Strukturproteine, so ändert sich diese später zu jenen Proteinen, die für den eigentlichen Infektionsprozess wichtig sind. Entscheidend für diesen Wechsel ist eine Änderung der Struktur des TTSSa."

Tatsächlich besteht das TTSSa aus vier wichtigen Bestandteilen: einer in der Bakterienmembran verankerten Basis mit einer Halterung, sowie einer darüber liegenden inneren Ringstruktur, auf der die Nadel aufgebaut wird. Marlovits konnte nun zeigen, dass die Ringstruktur die Nadel fest mit der Halterung und Basis verbindet. Diese Bindung bewirkt auch eine strukturelle Änderung der Basis, die sich auf deren Fähigkeit auswirkt, Proteine aus dem Zellinneren zu binden. Damit dient die Strukturänderung als Signal dafür, dass die Nadel fertig ist. Anstatt weiterer Proteine für den Aufbau werden dann jene Proteine transportiert, die für den Infektionsprozess notwendig sind.

Ausschlaggebend für die überzeugenden Ergebnisse des Teams um Marlovits war die Kombination hochauflösender bildgebender Verfahren ­ der Kryoelektronenmikroskopie ­ mit der molekulargenetischen Analyse von Mutanten, die ungewöhnlich lange Nadelstrukturen bilden. Von diesen war bekannt, dass das Protein InvJ einen Einfluss auf die Nadellänge hatte ­ aber nicht wodurch dieser Einfluss ausgeübt wurde. Marlovits Vergleich ergab ein überraschend klares Bild: den Mutanten fehlte die innere  Ringstruktur komplett. Da diese Mutanten aber trotzdem Nadelstrukturen, und zwar von enormer Länge, bilden können, lag die Vermutung nahe, dass die innere Ringstruktur eine Art Stopp-Signal für den Nadelaufbau liefert, das bei den Mutanten eben fehlt. Weitere Analysen zeigten dann zusätzlich deutliche Strukturunterschiede der Basis von Wildtyp und Mutante. Marlovits Hypothese ist nun, dass diese Strukturänderung Einfluss auf die Bindung jener Proteine hat, die durch TTSSa kanalisiert werden ­ und so das Stopp-Signal für den Nadelaufbau liefert.

Neben der Grundlage für weitere Arbeiten am Infektionskanal ist diese heute in Nature veröffentlichte Hypothese über das Stopp-Signal für Marlovits auch ein gutes Start-Signal für den in Gründung befindlichen "Vienna Spot of Excellence" des Forschungsinstituts für Molekulare Pathologie (IMP) und des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA).


Originalpublikation: Assembly of the inner rod determines needle length in the type III secretion injectisome.
NATURE 441, 637-640 (1 June 2006) | doi:10.1038/nature04822

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