Modulation der CYR61 und CTGF Expression in Epithelzellen durch Yersinia enterocolitica und andere Bakterien

Abstract

Durch die Infektion von Epithelzellen mit pathogenen Yersinia enterocolitica Stämmen wird die Induktion vieler verschiedener Gene ausgelöst, welche die proinflammatorische Wirtsantwort generieren. Hierunter konnten unter anderen cysteine rich protein 61 (CYR61) und connective tissue growth factor (CTGF) identifiziert werden. CYR61 und CTGF sind Mitglieder der Familie der CCN-Proteine und üben pleiotrope Funktionen aus. So sind sie als sezernierte Signalstoffe etwa an der Regulation von Proliferation und Apoptose beteiligt, und spielen eine wichtige Rolle bei der Wundheilung. In dieser Arbeit wird die bislang unbekannte Induktion der CYR61 und CTGF mRNA-Expression in Epithelzellen nach Interaktion mit Bakterien untersucht. Es kann gezeigt werden, dass durch Infektion von Epithelzellen mit attenuierten Yersinia enterocolitica Bakterien, welchen das Virulenzplasmid pYV fehlt, eine transiente CYR61 und CTGF mRNA- und konsekutiv Proteinexpression induziert wird. Virulente, das pYV-Plasmid tragende Yersinia, supprimieren die mRNA-Expression dieser Gene. Die Suppression von CYR61 und CTGF wird partiell durch den auf dem pYV-Plasmid kodierten Virulenzfaktor YopT vermittelt. YopT bewirkt über Modifikation von Rho-GTPasen eine Veränderung des Zytoskelettes der Wirtszelle. Eine Beteiligung von Rho-GTPasen an der Inhibition der CYR61 und CTGF mRNA-Expression kann mittels Toxin B von Clostridium difficile, welches Rho-GTPasen inaktiviert, bestätigt werden, da hiermit die Induktion der CYR61/CTGF mRNA signifikant gemindert wird. Weitere Untersuchungen zur Charakteristik der Yersinia Mediatoren, welche die CYR61 und CTGF mRNA-Expression induzieren, ergeben, dass diese als Signalstoffe sezerniert werden, und in lipophilen Extrakten angereichert werden können. Mittels Inhibitorstudien mit dem spezifischen Lysophophatidylsäure (LPA)-Rezeptor Inhibitior Ki16425 lässt sich darstellen, dass die Bakterien-vermittelte Induktion von CYR61 und CTGF via LPA-Rezeptoren erfolgt. Neben Yersinia enterocolitica induzieren auch verschiedene andere Gram-positive und Gram-negative Stäbchen- und Kokkenbakterien wie Staphylokokkus aureus, Enterokokkus faecalis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Bartonella henselae und Listeria monozytogenes, sowie Überstände dieser Bakterienkulturen, die CYR61 und CTGF mRNA-Expression, ebenfalls supprimierbar durch Ki16425. Die LPA-Rezeptor abhängige Expression von CYR61 und CTGF scheint daher eine allgemeine Wirtsantwort von Epithelzellen nach Interaktion mit Bakterien zu sein. Darüber hinaus ergeben die vorliegenden Untersuchungen, dass es neben Virulenzfaktoren wie YopT von Yersinia enterocolitica und Toxin B von Clostridium difficile, welche die LPA-Rezeptor vermittelte Wirtsantwort inhibieren, auch bakterielle Virulenzfaktoren gibt, welche diese zusätzlich verstärken können. So kann Listeriolysin O, ein porenbildendes Hämolysin von Listeria monozytogenes, als ein Virulenzfaktor identifiziert werden, welcher maßgeblich für die starke Induktion der CYR61 und CTGF mRNA-Expression durch Listerien verantwortlich ist. Über die infektionsbiologische Bedeutung der Modulation der CYR61 und CTGF Expression durch Bakterien kann bislang nur spekuliert werden. Aufgrund der herausragenden Rolle der CYR61 und CTGF Expression bei der Reaktion von Zellen auf Veränderungen des Zytoskelettes und mechanischem Zellstress, wie etwa bei der Wundheilung, könnte die Induktion dieser Gene durch die Interaktion mit Bakterien, welche man potentiell als Stresssituation für die Wirtszelle auffassen kann, eine protektive Adaptation der Wirtszellen darstellen, um die physiologischen Zellfunktionen sicherzustellen. Mit dieser Arbeit lässt sich erstmalig darstellen, dass durch Interaktion von Bakterien mit Epithelzellen, über eine Freisetzung bakterieller, lipophiler Signalstoffe und vermittelt über LPA-Rezeptoren, die CYR61 und CTGF Expression in Epithelzellen induziert wird, wodurch Wirtszellfunktionen beeinflusst werden.

Cysteine-rich protein 61 (CYR61) and connective tissue growth factor (CTGF) are members of the CCN (CYR61, CTGF, nephroblastoma overexpressed gene) family and exert pleiotropic functions such as regulation of adhesion, migration, extracellular matrix deposition or cell differentiation and play an important role in wound healing. This study focused on the nature of so far unknown CYR61 and CTGF mRNA expression of epithelial cells after infection with bacteria. We demonstrate that infection of epithelial cells with attenuated Yersinia enterocolitica lacking the virulence plasmid pYV leads to the expression of CYR61 and CTGF. Virulent Yersinia enterocolitica bearing the pYV plasmid suppressed the mRNA expression of these genes. Yersinia-mediated inhibition of CYR61 and CTGF mRNA expression is partially mediated by the cysteine protease YopT, which affects the cytoskeleton of host cells by modulation of Rho-GTPases. The involvement of Rho-GTPaes is confirmed by the fact, that Clostridium difficile Toxin B, an inhibitor of Rho-GTPases, significantly suppresses the CYR61 and CTGF expression. Further characterization of the Yersinia mediators, which trigger CYR61 and CTGF mRNA expression, demonstrate that these factors are secreted and can be enriched in lipid extracts. Beside Yersinia, several other bacteria such as Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis, Bartonella henselae, Listeria monozytogenes or Staphylococcus aureus, as well as supernatants of these bacteria induce CYR61 and CTGF expression. Blocking experiments with the lysophosphatidic acid (LPA) receptor-specific inhibitor Ki16425 suggest a general involvement of LPA receptors in bacteria-triggered CYR61 and CTGF expression. These data suggest that LPA receptor-dependent expression of CYR61 and CTGF represents a common host response after interaction with bacteria. Apart from Yersinia YopT and Clostridium difficile Toxin B which both inhibit the LPA-receptor dependent host response, there are also mediators which potentiate the CYR61 and CTGF expression. We identified Listeriolysin O, a hemolysin of Listeria monozytogenes, as a strong inductor for CYR61 and CTGF mRNA expression. By now, the biological function and the physiological impact of CYR61 and CTGF expression in epithelial cells after interaction with bacteria are elusive. Regarding the important role of CYR61 and CTGF induction in mechanical stress-related pathologies, which either result from increased externally applied or internally generated forces by the actin cytoskeleton, it may be suggested that this role might be to maintain normal cell or organ function. Since interaction of bacteria with host cells can generally be considered a stress situation for the cells, induction of host responses including CYR61 and CTGF expression may help to adapt cells to such situations. Nevertheless, we demonstrate that commensal bacteria adhered to epithelial barriers induce CYR61 and CTGF expression of epithelial cells by release of bacterial, lipophilic compounds and interaction with LPA-receptors, and, in this way, might influence physiological functions, maturation or differentiation of host cells.