Universität zu Köln

Springer-Frauenhoff, Helen Maria (2014). The immunity-related GTPase (IRG) resistance system against intracellular parasites. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Immunity–related GTPases (IRG) constitute a powerful resistance system against the protozoa Toxoplasma gondii and its close relative Neospora caninum as well as against two strains of the bacteria Chlamydia in mice. However, it remains a great mystery why all other organisms tested so far are not restricted by the IRG system. IRG-mediated restriction correlates with accumulation of effector IRG subfamily, the GKS proteins, at the parasitophorous vacuoles leading to the breakdown of the membrane barrier and death of the parasite. It is not known how GKS proteins can specifically recognise and bind to the parasitophorous vacuolar membranes (PVM), which is derived from the invaginated host plasma membrane and block fusion with the endolysosomal compartments. The second subfamily of IRG proteins, GMS proteins, prevents premature activation of GKS proteins and seems to protect endomembranes from GKS-mediated destruction. The GMS protein Irgm1 has been alternatively proposed to directly mediate acidification and destruction of bacterial phagosomes. However, this theory is incompatible with the current model that IRG resistance system acts only on non-phagosomal vacuoles. The present study demonstrated the predicted existence of two protein isoforms of Irgm1, which localised slightly different to subcellular endomembranes. Moreover, in striking contrast to earlier studies, Irgm1 could never be detected at listerial or mycobacterial phagosomes, arguing against the alterative proposed role of Irgm1 on phagosomes. In order to understand IRG target membranes, the present study showed that certain GKS proteins have an intrinsic property to bind liposomes in a GTP-dependent manner. However, the absence of residual host cell plasma membranes on the PVM of T. gondii did not trigger GKS accumulation. The non-fusogenic character of a vacuole was also not sufficient for a vacuole to be recognised by GKS proteins. Lastly, this study presented a novel role of the IRG system in resistance to the microsporidian Encephalitozoon cuniculi. Interferon-γ stimulation, inducing IRG proteins, suppresses meront development and spore formation in mouse fibroblasts in vitro, and effector GKS proteins cooperatively accumulate on the PVM of E. cuniculi. In addition, IFNγ-induced cells infected with E. cuniculi died by necrosis similar to T. gondii infection. Thus, the IRG resistance system provides cell-autonomous immunity to specific parasites from three kingdoms of life: protozoa, bacteria and fungi. The phylogenetic divergence of these IRG target organisms strongly suggests that the IRG system does not recognise specific parasite components. The absence of certain host components on the vacuolar membrane, such as the protective GMS proteins, might act as missing-self motifs to trigger GKS protein accumulation on parasitophorous vacuoles.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Das Resistenzsystem der immun-verwanten GTPases gegen intrazelluläre Parasiten German
Translated abstract:	Abstract Language Die immun-verwandten GTPases (immunity-related GTPases, IRG) wirken als leistungsfähiges Resistenzsystem gegen die Protozoen Toxoplasma gondii und Neospora caninum sowie gegen zwei Stämme der Chlamydien Bakterien. Es ist bisher ein großes Rätsel, warum alle anderen bisher getesteten Organismen nicht von dem IRG System kontrolliert werden. Die IRG-vermittelte Resistenz korreliert mit der Akkumulation von IRG Effektoren der GKS Protein-Unterfamilie auf der parasitophoren Vakuole. Dies führt zur Zerstörung der Membran-Barriere und schließlich zum Tod des Parasiten. Es ist unklar, wie genau GKS Proteine die Membran der parasitophoren Vakuole (PVM) erkennen und auch daran binden. Die PVM wird aus der eingestülpten Wirtszell-Plasmamembran gebildet und fusioniert nicht mit dem Endolysosomalen Organelle. Die zweite IRG Protein-Unterfamilie sind die regulatorischen GMS Proteine. Sie verhindern die vorzeitige Aktivierung von GKS Proteinen und schützen vermutlich die Endomembranen vor Zerstörung durch GKS Proteine. Für das GMS Protein Irgm1 wurde außerdem alternativ vorgeschlagen, dass es direkt an der Ansäuerung und Zerstörung von bakteriellen Phagosomen beteiligt ist. Diese Theorie ist jedoch unvereinbar mit dem aktuellen Model, dass IRG Resistenzsystem nur auf nicht-phagosomalen Vakuolen wirkt. In der vorliegenden Arbeit wurde die vorhergesagte Existenz der zwei Isoformen von Irgm1 nachgewiesen, welche etwas unterschiedlich an subzelluläre Endomembranen lokalisieren. Außerdem wurde im starken Gegensatz zu vorherigen publizierten Studien kein Irgm1 an Phagosomen von Listerien oder Mykobakterien detektiert. Dies spricht deutlich gegen die alternativ vorgeschlagene Effektor-Rolle von Irgm1 an Phagosomen. Um besser zu verstehen, an welche Membranen IRG Proteine binden, wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass bestimmte GKS Proteine eine intrinsische Eigenschaft besitzen an Liposomen in GTP-abhängiger Weise zu binden. Das Fehlen von Wirtszell-Plasmamembran Proteinen auf der PVM von T. gondii hat jedoch keine IRG Protein Akkumulierung ausgelöst. Auch die Eigenschaft einer Vakuole, Fusion mit dem Endolysosomalen System zu verhindern, reicht nicht aus um von IRG Proteinen erkannt zu werden. Zuletzt wurde in der vorliegenden Arbeit eine neue Rolle des IRG Systems in der Kontrolle des Mikrosporidiums Encephalitozoon cuniculi präsentiert. Interferon-γ Stimulation, welches IRG Proteine induziert, supprimierte die Entwicklung von Meronten und Sporenbildung in vitro im murinen Fibroblasten. Die Effektor GKS Proteine akkumulieren kooperativ auf der PVM von E. cuniculi. Weiterhin sterben Interferon-γ-behandelte und E. cuniculi- infizierte Zellen nekrotisch, ähnlich wie bei Infektion mit T. gondii. Das IRG Resistenzsystem liefert somit Zell-autonome Immunität gegen spezifische Parasiten, die zu drei Reichen der Lebewesen gehören: Protozoen, Bakterien und Pilze. Das phylogenetische Spektrum dieser Organismen, die vom IRG System erkannt werden, weist darauf hin, dass das IRG System keine Parasiten-spezifische Komponente erkennt. Hingegen wird das Fehlen von bestimmen Wirtszell-Komponenten auf der Membran der fremden Vakuole erkannt, wie zum Beispiel die schützenden GMS Proteine. Dadurch wird ein “missing-self” Signal vermittelt, welches dann eine Akkumulierung von GKS Proteinen auf der PVM auslöst. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Springer-Frauenhoff, Helen Maria helen.springer-frauenhoff@gmx.net UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-58443
Date:	June 2014
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 Innate Immunity, Interferon, IRG protein, Toxoplasma gondii, Encephalitozoon cuniculi English
Date of oral exam:	26 June 2014
Referee:	Name Academic Title Howard, Jonathan Prof. Dr. Dohmen, Jürgen Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5844