Universität zu Köln

Hunn, Julia (2007). Evolution and Cellular Resistance Mechanisms of the Immunity-Related GTPases. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Members of the immunity-related (p47) GTPases (IRGs) are essential, interferon-inducible resistance factors active against a broad spectrum of important intracellular bacterial and protozoal pathogens including Toxoplasma gondii. Despite the strong, partially overlapping but non-redundant susceptibility phenotypes of mice genetically deficient for individual members of the family, little is known about molecular mechanisms of function and regulation of the IRG resistance system. This study demonstrates that IRG GTPases function in a system of direct, nucleotide-dependent regulatory interactions between family members. Spontaneous GTP-dependent homo-oligomerisation of the GKS subfamily member Irga6 leads to the activation of GTPase function in vitro. In vivo, accumulation of activated, GTP-bound GKS proteins at the parasitophorous vacuolar membrane is associated with the IFN-induced, cell autonomous destruction of avirulent Toxoplasma gondii. In contrast, direct GDP-dependent interactions of the unusual GMS subfamily members with the GKS proteins Irga6 and Irgb6 via the G-domains prevent premature activation of the resistance system in absence of infection. Lack of GMS GTPases results in spontaneous activation and aggregation of Irga6 and Irgb6 on endomembranes and hinders association with the parasitophorous vacuolar membrane upon infection with T. gondii. The three GMS GTPases are both necessary and sufficient to regulate Irga6 and Irgb6. No other interferon-inducible proteins are required for the regulation of the resting localisation of Irga6 and Irgb6 in the IFN-induced cell or for their infection-induced assembly on the membrane of the parasitophorous vacuole. Nucleotide binding is essential for the translocation from the resting localisation to the vacuole. Virulent Toxoplasma efficiently inhibited the recruitment of IRG proteins to the parasitophorous vacuole. These findings provide the first link between the enzymatic properties of IRG proteins as GTPases and their function in pathogen resistance. The IRG resistance GTPases are an ancient family that underwent extensive expansion and diversification as well as contraction in the euchordates - a feature characteristic for multigene families associated with pathogen resistance due to host-pathogen coevolution. Despite its essential role in resistance to vacuolar pathogens in mice, the IRG resistance system as such is not conserved in higher primates. While all other groups of mammals possess multiple divergent IRG genes, humans and higher primates contain a largely reduced set of typically three genes. All of these genes lack IFN-inducible elements in their putative promoters and are either significantly truncated, drastically damaged in the nucleotide binding domain or show testis-specific expression paralleling sexual maturity. Consequently, mice and humans must deploy their immune resources against vacuolar pathogens in radically different ways.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Evolution und zelluläre Resistenzmechanismen der immun-verwandten GTPasen German
Translated abstract:	Abstract Language Die Mitglieder der (p47) immun-verwandten GTPasen ("immunity-related GTPases", IRGs) sind essentielle, Interferon-induzierbare Resistenzfaktoren und aktiv gegen ein breites Spektrum bedeutender, intrazellulärer Pathogene einschließlich Toxoplasma gondii. Obwohl Mäuse, die genetisch defizient für einzelne Mitglieder des IRG Resistenzsystems sind, ausgeprägte, teilweise überlappende aber nicht redundante Anfälligkeiten gegenüber Pathogenen aufweisen, ist wenig über die molekularen Mechanismen der Funktion und der Regulation des IRG Resistenzsystems bekannt. Diese Studie zeigt, dass die IRG GTPasen in einem System von direkten, Nukleotid-abhängigen Interaktionen zwischen Familienmitgliedern funktionieren. Spontane GTP-abhängige Oligomerisierung von Irga6, einem Mitglied der GKS Unterfamilie, führt zur Aktivierung der GTPase Funktion in vitro. Die Akkumulation von aktivierten, GTP-gebundenen GKS Proteinen an der Membran der parasitophoren Vakuole in vivo ist mit der IFN-induzierten, zellautonomen Zerstörung von avirulenten Toxoplasma gondii assoziiert. Direkte GDP-abhängige Interaktionen von Mitgliedern der ungewöhnlichen GMS Unterfamilie mit den GKS Proteinen mittels der G Domänen verhindert dagegen die verfrühte Aktivierung des Resistenzsystems in Abwesenheit von Infektion. Die Abwesenheit von GMS GTPasen resultiert in der spontanen Aktivierung und Aggregation von Irga6 und Irgb6 an Endomembranen und behindert die Assoziation mit der Membran der parasitophoren Vakuole im Zuge der Infektion mit T. gondii. Die drei GMS GTPasen sind sowohl notwendig als auch hinreichend für die Regulation von Irga6 und Irgb6. Keine anderen Interferon-induzierbaren Proteine sind für die Infektions-induzierte Assemblierung an der Membran der parasitophoren Vakuole notwendig. Die Nukleotid-Bindung ist essentiell für den Transfer von der Ruhelokalisation zur Vakuole. Virulente Toxoplasmen inhibieren die Rekrutierung der IRG Proteine an die parasitophore Vakuole. Diese Ergebnisse stellen die erste Verbindung zwischen den enzymatischen Eigenschaften der IRG Proteine als GTPasen und ihrer Funktion in der Resistenz gegen Pathogene her. Die IRG Resistenz-GTPasen sind eine alte Familie die in den Euchordaten eine extensive Expansion, Diversifikation und Kontraktion durchlaufen hat - eine Eigenschaft, die aufgrund von Wirts-Pathogen-Koevolution charakteristisch für Pathogenresistenz-assozierte Multigenfamilien ist. Trotz ihrer essentiellen Rolle in der Resistenz gegen vakuoläre Pathogene ist das IRG Resistenzsystem als solches in höheren Primaten nicht konserviert. Während alle anderen Gruppen von Säugetieren mehrere, divergente IRG Gene besitzen, haben Menschen und höhere Primaten einen stark reduzierten Satz von typischerweise drei Genen. Alle diese Gene besitzen keine Interferon-induzierbaren Elemente in ihren mutmaßlichen Promotoren und sind entweder verkürzt, stark beschädigt in ihrer Nukleotidbindungsdomäne oder zeigen eine Testis-spezifische Expression parallel zu sexuellen Reife. Deshalb müssen Mensch und Maus ihre Immunressourcen gegen vakuoläre Pathogene radikal unterschiedlich nutzen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hunn, Julia j.hunn@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-33346
Date:	2007
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Interferon, IRG, p47 GTPase, zellautonome Resistenz, IIGP German interferon, IRG, p47 GTPase, cell-autonomous resistance, IIGP English
Date of oral exam:	6 February 2008
Referee:	Name Academic Title Howard, Jonathan C. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3334