Wie Durchfallerreger bei Körpertemperatur auf Angriff schalten

Viele bakterielle Krankheitserreger scheiden Giftstoffe aus, sobald sie sich im Wirt befinden, um dessen Immunantwort zu unterdrücken. Was genau auf molekularer Ebene passiert, wenn der Durchfallerreger Yersinia pseudotuberculosis auf Angriff schaltet, haben Forscherinnen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) untersucht. Sie nahmen dazu sogenannte RNA-Thermometer unter die Lupe, die den Bakterien signalisieren, ob sie sich im Wirt befinden. In Kooperation mit Kollegen des Helmholtz-Instituts für Infektionsforschung Braunschweig zeigten sie außerdem, dass Bakterien mit deaktiviertem RNA-Thermometer keine Infektion mehr auslösen können.

Über die Studie berichtet die Zeitschrift Plos Pathogens online am 17. Januar 2020.

Bei 37 Grad Celsius schmilzt das RNA-Thermometer auf

„Aus vorangegangenen Arbeiten wussten wir, dass Yersinia-Bakterien sehr sensibel auf Temperaturänderungen reagieren und die Anwesenheit in ihrem Wirt anhand der Körpertemperatur erkennen“, sagt Prof. Dr. Franz Narberhaus vom RUB-Lehrstuhl für Biologie der Mikroorganismen. Verantwortlich für die Temperaturmessung sind die RNA-Thermometer. Dabei handelt es sich um Abschnitte in der Boten-RNA vieler Gene, die den Bauplan für die krankmachenden Substanzen enthalten.

Bei niedrigen Temperaturen, also außerhalb des Wirts, verhindern die RNA-Thermometer, dass die RNA abgelesen und in Proteine übersetzt wird. Erst nach erfolgreicher Infektion des warmblütigen Wirtes, also bei einer Temperatur von etwa 37 Grad Celsius, schmelzen die RNA-Strukturen auf. Dann können sie in Proteine umgeschrieben werden, die eine für den Wirt schädliche Wirkung entfalten. In der aktuellen Publikation beschreiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den zugrunde liegenden Schmelzmechanismus des RNA-Thermometers für einen der Giftstoffe von Yersinia pseudotuberculosis, das CnfY-Toxin.

Bakterien mit nicht funktionellen Thermometern machen nicht krank

Der Bochumer Doktorand Christian Twittenhoff zeigte anhand von isolierten Zellbestandteilen des Durchfallerregers, an welchen Stellen das RNA-Thermometer für das CnfY-Toxin aufschmilzt und welche Struktur es dabei annimmt. Der Biologe erstellte ein Modell, das dokumentiert, wie sich das Thermometer öffnet. Es zeigt auch, wie das Ribosom – der Zellbestandteil, an dem die Boten-RNA in ein Protein übersetzt wird – an die Boten-RNA andockt.

In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Petra Dersch, früher am Helmholtz-Institut in Braunschweig, jetzt an der Universität Münster, demonstrierten die Forscher außerdem, welche Rolle das RNA-Thermometer für den Krankheitsprozess spielt. Sie infizierten Mäuse mit Yersinia-Bakterien, die entweder funktionierende RNA-Thermometer besaßen oder inaktivierte RNA-Thermometer, die nicht bei 37 Grad Celsius aufschmelzen konnten. Die Bakterienstämme mit modifizierten RNA-Thermometern waren nicht in der Lage, Mäuse krank zu machen. „Die Ergebnisse haben gezeigt, wie wichtig ganz kurze regulatorische RNA-Sequenzen für den erfolgreichen Infektionsverlauf eines Bakteriums sein können“, resümiert Christian Twittenhoff, der Erstautor dieser Studie.

Ähnliche Mechanismen in anderen Bakterien vermutet

Christian Twittenhoff verglich das Gen des CnfY-Toxins mit Toxin-Genen anderer Krankheitserreger mithilfe von bioinformatischen Methoden. Die Analyse legt nahe, dass auch andere Toxin-Gene durch RNA-Thermometer reguliert sein könnten. „Obwohl die Sequenzen sehr unterschiedlich sind, können wir vorhersagen, welche RNA-Strukturen vermutlich als Thermometer fungieren“, erklärt er.

„RNA-Thermometer funktionieren über einen sehr einfachen Mechanismus, der sich wahrscheinlich im Laufe der Evolution bewährt und deshalb vielfach und unabhängig voneinander entwickelt hat“, vermutet Franz Narberhaus. Grundsätzlich könne man einer bakteriellen Infektion vorbeugen, indem man das Aufschmelzen solcher RNA-Strukturen verhindere. „Substanzen, die RNA-Thermometer im geschlossenen Zustand einfrieren, sind aber bisher nicht bekannt“, so Narberhaus weiter.

Über den untersuchten Erreger

Der Durchfallerreger Yersinia pseudotuberculosis ist nahe verwandt mit dem Pesterreger Yersinia pestis. Das Bakterium wird über verunreinigte Lebensmittel übertragen. Sobald es im Darm des warmblütigen Wirts angekommen ist, sekretiert es das sogenannte CnfY-Toxin, welches akute Entzündungsreaktionen auslöst und die Wirkung anderer krankmachender Substanzen verstärkt.
Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte das Projekt mit dem Förderkennzeichen NA 240/10-2.

Originalveröffentlichung

Christian Twittenhoff, Ann Kathrin Heroven, Sabrina Mühlen, Petra Dersch, Franz Narberhaus: An RNA thermometer dictates production of a secreted bacterial toxin, in: PLoS Pathogens, 2019, DOI: 10.1371/journal.ppat.1008184

Weitere Informationen:

https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1008184 – Orinigalveröffentlichung