Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins

Krieg der Mikroben:Ökologie und Toxikologie

bakterieller Toxine

HabilitationsvortragDr. rer. nat. Björn Brembs

13.05.2009

ÖKOSYSTEM

Wirkungsgefüge von Lebensgemeinschaft (Biozönose) und Lebensraum (Biotop)

Ökosystem

• Offen, dynamisch, komplex• Trophische Ebenen

– Produzenten– Konsumenten– Destruenten

• Sukzession – Mosaikbildung• Konkurrenz, Predation, Mutualismus,

Kommensalismus

Das Leben auf uns

• 1014 menschliche Zellen• 1015 Bakterien• 1017 Viren• Mikrobielles Metagenom evtl. grösser als

menschliches Genom• 98% Sequenzidentität zw. Mensch und

Schimpanse, jedoch nur 50% mikrobielle Speziesidentität

Mims C et al. Medical Microbiology, 2004.

Mobiles Ökosystem Mensch

Produzenten und Konsumenten

• Streptococcus gordonii vergärt Kohlenhydrate zu Milchsäure

• Veilonella atypica nutzt Milchsäure als Energielieferant

• V. atypica induziert Amylase-Aktivität in S. gordonii

Egland P. G. et.al. PNAS 2004;101:16917-16922©2004 by National Academy of Sciences

Sukzession in der Mundflora

• Erste Welle (Gram+)Streptokokken binden Oberflächenproteine

• Zweite Welle (Gram-)Brückenspezies F. nuclearum bindet andere Bakterien

• Dritte Welle: Biofilm

Kolenbrander et al. 2002, Microbiol Mol Biol Rev 66:486

KOOPERATION

Biofilme

http://www.socialfiction.org/img/biofilm.jpg

Symbiosen: Blattläuse-Buchnera

• Buchnera aphidicola: Gram negative, intrazelluläre Bakterien in spezialisierten Bakteriozyten

• Stellt dem Wirt kritische Nährstoffe zur Verfügung• Seit mehr als 150 Mio Jahren vertikal übertagen (Mutter-Nachkommen)• Mit E. coli verwandt, Genom drastisch reduziert (600 von ~4000 urspr. Genen)

Maternale Bakteriozyten mit Symbionten

Frühe Embryonen mit sichtbaren Symbionten

Späte Embryonen

J. Sandström

1 mm

Blattlaus-Eier mitBuchnera der Mutter

A. Mira0.5 mm

Konkurrenz

• Streptococcus sobrinus Rasen

• Streptococcus mutans Kolonien

• Mutazin I und IV

Photo: Dr. Jens Kreth

Bakteriozine

• Von den meisten Bakterien produzierte Peptide• Meist nur für nah verwandte Arten bakteriostatisch oder bakterizid

wirkend• Ohne Resistenzmechanismen sind auch die produzierenden Zellen

betroffenStamm Bakteriozin Wirkspektrum Lokalisierung

Lactobacillusacidophilus

Lactacin F Lactobacillus spEnterococcus feacalis

Plasmid

Lactobacillussake

Sakacin PSakacin A

Lactobacillus spCarnobacterium spLactobacillus spEnterococcus spListeria monocytogenes

nicht bekanntPlasmid

Lactobacilluscurvatus

Curvacin A Lactobacillus spListeria monocytogenes

Plasmid

Mechanismen

a) Porenbildung– Häufigster Mechanismus– Membran Depolarization– Elektrolyt-Verlust– Letztendlich Lyse

b) Zellwand-Degradation– Löst Peptidoglycane auf– Lyse

c) Nuklease Aktivität– Chromosomale DNA– 16S-RNA

Cursino et al. 2002. Brazilian Journal of Microbiology 33: 185-195

INVASION

Offene Ökosysteme

Staphylococcus aureus

Gram-positive, fakultativ anaerobe Kokken:• Kommensales Hautbakterium• Staphylokokken-Enterotoxine• Toxic shock syndrome Toxin (TSST)

WASSER

Aufnahme beim Trinken

Vibrio cholerae

Gram-negatives Stäbchen: Cholera Toxin

NAHRUNG

Aufnahme durch Lebensmittel

Clostridium botulinum

Anaerobes, Gram-positives, sporenformendes Stäbchen:Botulinumtoxin („Botox“)

LUFT

Aufnahme durch Atmung

Bacillus anthracis

Gram-positives, sporenformendes Stäbchen:Anthraxtoxin

VEKTOREN

Aufnahme durch die Haut

Yersinia pestis

Gram-negative Stäbchen• Bakteriozine• Immunsuppressiv• Yersinia outer proteins

(Yop)

Bakterielle Pathogenitätsmechanismen

Protein Toxin Klassifikation

• Typ I Toxine: Rezeptorbindend– Binden an die Zelloberfläche werden aber nicht in die Zelle

transloziert (SEB)

• Typ II Toxine: Porenformend– Formen Poren in der Zellmembran (Anthraxtoxin PA)

• Typ III Toxine: Intrazellulär wirkend– Rezeptor-gekoppelte Translokation in die Zelle und

Schädigung intrazellulärer Komponenten (Botulinumtoxin)

Typ I Typ II Typ III

Toxin Effekte

• Zell Lyse (Hämolysine, Leukozidine)• cAMP Anstieg (Cholera Toxin)• Blockade der Proteinsynthese (Diphtherie

Toxin)• Hemmung der synaptischen

Erregungsübertragung (Botulinum-, Tetanus Toxin)

Maus LD50 ausgewählter Toxine

toxin source LD50 [µg/kg]Clostridium botulinum toxin bacteria 0.001Shigatoxin bacteria 0.002Abrin plant 0.04Clostridium perfringens toxin bacteria 0.1-5Ricin plant 3α-Conotoxin snail 5Saxitoxin algae 10Staphylococcus enterotoxin bacteria 27VX nerve agent 15Sarin nerve agent 100Cyanide (KCN) chemical 2860

Typ III: A-B Toxine

aktiv bindend

A

Intrazellulär

B

Extrazellulär

Typ III: A-B Toxine

• A: Enzymatische Untereinheit

• B: Zellbindende Untereinheit

Typ III: A-B Toxine

A-B Toxine

Toxin Organisation Aktivität

Diphterietoxin AB ADP Ribosylierung

Exotoxin A AB ADP Ribosylierung

Botulinumtoxin AB Zn++ Protease

Tetanustoxin AB Zn++ Protease

Choleratoxin AB5 ADP Ribosylierung

Shigatoxin AB5 Schneidet 28S rRNA

Anthraxtoxin LF A-B Zn++ Protease

Anthraxtoxin EF A-B Adenylat Zyklase

BOTULINUMTOXIN

Clostridium botulinum

Botulismus damals

• ~900: Leo VI der Weise (Byzanz) verbot Blutwurst.

• 1793: Ausbruch durch Blutwurst in Wildbad.

• 1897: van Ermengem isoliert anaerobes Bakterium aus Schinken.

• Botulus: Wurst (lat.)

Botulismus heute

• 110 Fälle jährlich• ~25% durch Nahrungsmittel• ~72% Säuglingsbotulismus• 3% Wundbotulismus

Botulinumtoxin

• AB Toxin• Sieben Serotypen A-G• A, B, E, & F sind toxisch für Menschen, C und D für Vögel und

Rinder, E für Vögel und Fische• Leichte Kette aktiviert intrazellulär nachdem Proteasen die

rezeptorbindende schwere Kette abgeschnitten haben.

Botulinumtoxin C1

JAMA. 2001;285:1059-1070

Botulinumtoxin

JAMA. 2001;285:1059-1070

Botulinumtoxin

Vom Toxin zur Therapie

Vorher und nachher

Spasmen

Dystonia

Hyperhidrosis

CHOLERATOXIN

Vibrio cholerae

Choleratoxin

• Klassisches AB5 Toxin• B Untereinheiten

multimerisieren zu einem pentameren Ring

• Holotoxin bindet an membranständigen Rezeptor

Choleratoxin

SEB

Staphylococcus aureus

Hautinfektionen

SEB: Superantigen

• Globulär• Hitzebeständig• Säurebeständig

• T-Zell-Überaktivierung• massive Cytokin-

Freisetzung• Toxic shock syndrome

Superantigene verlinken T-Zellrezeptor mit MHC

Toxic Shock Syndrome

PATHOGENITÄT

Pathogen-Evolution als trophische Interaktion

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Bakterielle Fitness Faktoren

Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

A B

A B

C

C

E. coli K12

E. coli O157:H7

Fremde DNA= Locus für Lyse der Enterocyten

Verantwortlich für die Pathogenität:Ermöglicht Adhäsion und Toxin Produktion

Harmloses Bakterium wird pathogen durch DNA Transfer von anderen Bakterienstämmen

Genetik der Pathogenität

Vibrio cholerae

Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

HYPOTHESE

V. cholerae wird aus dem Darm konkurriert

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Clostridium botulinum

Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

HYPOTHESE

C. botulinum kann nur im toten Wirt mit Darmflora konkurrieren

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Nature Reviews Microbiology 6, 387-394 (May 2008) | doi:10.1038/nrmicro1889

Horizontaler Gentransfer

GENTRANSFER

Spinnen – Bakterien

Sphingomyelinase D

Corynebacterium:Gram-positive, facultativ anaerobe, nicht-sporulierende Stäbchen. Actinobacteria.

Bioinformatics 2006 22(3):264-268; doi:10.1093/bioinformatics/bti811

Loxosceles

Krieg der Mikroben

• Nicht nur makrobiologische sondern auch mikrobiologische Ökosysteme zunehmend untersucht

• Ökologie der Mikroben hilft deren Toxikologie zu verstehen

• Nutzung dieses Verständnisses für Vorbeugung (Probiotik) und Therapie

• Ausbalancierte mikrobielle Ökosysteme halten Toxin-Produzenten in Schach

Toxine

Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus)

„All Ding' sind Gift und nichts ohn' Gift;allein die Dosis macht,

dass ein Ding kein Gift ist.“

Begründer der Toxikologie