Charakterisierung der Helicobacter pylori-induzierten nichtkanonischen NF-κB Signaltransduktion
Creators: name: Feige, Michael Hartmut
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2019
Subjects: subject: Mikrobiologie
subject: 570

description: The gram-negative bacterium Helicobacter pylori infects approximately 60 % of the world's population and is capable to colonize the host for life. A persistent infection of the stomach results in 10 - 15 % of the cases in development of type B gastritis, gastric- or duodenal ulcers, MALT-lymphomas (mucosa-associated lymphoid tissue) or gastric cancer. Gastric cancer causes an average of approximately 723.000 deaths annually and is estimated to be the third highest cause of cancer-associated deaths worldwide. The risk to develop these diseases is based to a large part on H. pylori's expression of specific virulence factors. The type 4 secretion system (T4SS) is of particular importance as it injects the virulence factor CagA (cytotoxin-associated gene A) into the host cell and is capable to modulate the host's signal transduction. H. pylori's T4SS activates rapidly and CagA-independent the transcription regulator NF-kB (RelA/p50) (nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells) via the canonical pathway, which is capable to mediate pro-inflammatory, proliferative and antiapoptotic signalling. The canonical NF-kB activation favours the development of type B gastritis, which can be a preliminary stage to gastric cancer, where an increased canonical NF-kB activity is a marker for poor prognosis. In contrast, almost no information about H. pylori's capability to activate noncanonical NF-kB (p52/RelB) is available, which has similar functions. Moreover, an increasing number of studies indicate its pathological potential in particular in inflammatory diseases. The main subject of this study was to determine if H. pylori can induce noncanonical NF-kB signalling and to investigate the associated signalling cascade in detail. We found that H. pylori rapidly induced T4SS-dependent and CagA-independent noncanonical NF-kB signalling in epithelial cell lines (HeLa, NCI-N87, AGS). We identified the lymphotoxin beta receptor (LTbR) as the essential mediator, which recruited within 15 minutes of infection the signalling components TRAF2 (tumor necrosis factor receptorassociated factor 2) and NIK (NF-kB inducing kinase), which is the specific key kinase of the noncanonical NF-kB signalling pathway. Subsequently, NIK was stabilised and phosphorylated (Thr559) within 45 minutes of infection, which was crucial for the phosphorylation (Ser866/870) of p100 and led to its 26S proteasome-dependent processing to p52. Afterwards, p52 translocated together with RelB into the nucleus to regulate gene expression. Furthermore, the signal transduction was accompanied by the degradation of the negative regulator TRAF3. Moreover, the H. pylori-induced signal transduction showed some atypical features for LTbR-induced signalling, specifically that IKKa (inhibitor of kappaB kinase a) was inferior for the signalling and that the p100 phosphorylation was dependent on the basal canonical NF-kB activity, which was in contrast to the lymphotoxin (LT) a1b2- mediated LTbR stimulation. Thus, a modulation of the LTbR-signalling by H. pylori is likely. The investigations of the T4SS-dependent mechanism of activation excluded an Integrin a5b1-dependent injection, which is utilized for CagA translocation. Further, our preliminary results indicate that the T4SS-component CagL and the outer membrane protein HofC (Helicobacter pylori outer membrane protein family C) interacted in vitro with the ectodomain of the LTbR in competition to LTa1b2. Thus, these proteins could be involved in the activation of the LTbR. Furthermore, we showed in a cooperation with Prof. Vieth (Institut für Pathologie, Bayreuth) in vivo an enhanced stabilisation of NIK in tissue samples of patients with H. pylori-associated gastritis. This provides evidence for the activation of noncanonical NF-kB in this disease and could qualify NIK as a prognostic marker. A future prospect of this study is that the LTbR is the primary mediator of CXCL13 (chemokine C-X-C motif ligand 13) expression, which is elevated in H. pylori-associated gastritis and a crucial mediator for the development of ectopic lymphoid follicles and thus favours the infiltration of B- and T-cells. In H. pylori-associated gastritis these follicles are detectable up to four times more frequent as in other gastritis types and are typically harmful for the host in persistent infections. Hence, the identification of the LTbR-dependent noncanonical NF-kB activation may be an important link for these phenomena in H. pyloriinfected individuals and could potentially qualify NIK as a therapeutic target.
description: Das gramnegative Bakterium Helicobacter pylori infiziert ca. 60 % der Weltbevölkerung und kann den Wirt lebenslang kolonisieren. Eine persistente Infektion des Magens führt dabei in 10 - 15 % der Fälle zu der Entstehung von Typ B Gastritis, Magen- oder Zwölffingerdarmgeschwüren, MALT-Lymphomen (mucosa-associated lymphoid tissue) oder Magenkrebs. Magenkrebs wird mit weltweit ca. 723.000 Toten pro Jahr als dritthäufigste krebsassoziierte Todesursache eingeschätzt. Das Krankheitsrisiko beruht zu einem großen Teil auf der Expression H. pylori-spezifischer Virulenzfaktoren. Von diesen ist das Typ 4 Sekretionssystem (T4SS) besonders wichtig, weil es den Virulenzfaktor CagA (cytotoxinassociated gene A) in die Wirtszelle injiziert und die Signaltransduktion der Wirtszelle moduliert. H. pyloris T4SS aktiviert, CagA unabhängig, rasch durch den kanonischen Signalweg den Transkriptionsregulator NF-kB (RelA/p50) (nuclear factor 'kappa-light-chainenhancer' of activated B-cells), der entzündungsfördernd, proliferativ und antiapoptotisch wirken kann. Die kanonische NF-kB Aktivierung begünstigt die Entwicklung der Typ B Gastritis, die als Vorstufe zu Magenkrebs fungieren kann, wo eine erhöhte kanonische NFkB Aktivität als Marker für eine schlechte Prognose gilt. Über H. pyloris Kapazität das nichtkanonische NF-kB (p52/RelB) zu aktivieren, das ähnliche Funktionen erfüllen kann, war vor Beginn dieser Arbeit nahezu nichts bekannt, obwohl eine steigende Anzahl an Studien dessen pathologisches Potential insbesondere in entzündungsassoziierten Krankheiten belegt. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit war es zu analysieren, ob H. pylori das nichtkanonische NF-kB in vitro aktiviert und die damit assoziierte Signaltransduktion im Detail zu definieren. Wir konnten zeigen, dass H. pylori rasch T4SS-abhängig und CagA-unabhängig das nichtkanonische NF-kB in Epithelzellen (HeLa, NCI-N87, AGS) aktivierte und haben den Lymphotoxin Beta Rezeptor (LTbR) als essentiellen Vermittler identifiziert. Dieser rekrutierte innerhalb von 15 Minuten nach der Infektion die Signalkomponenten TRAF2 (tumor necrosis factor receptor-associated factor 2) und NIK (NF-kB inducing kinase), die spezifische Schlüsselkinase des nichtkanonischen NF-kB Signalweges. Dies erlaubte innerhalb von 45 Minuten die Stabilisierung und Phosphorylierung (Thr559) von NIK, das essentiell für die Phosphorylierung (Ser866/870) von p100 war und zu dessen 26S Proteasom-abhängiger Prozessierung zu p52 führte. Anschließend translozierte p52 zusammen mit RelB in den Zellkern um die Genexpression zu regulieren. Zudem war die Signaltransduktion von der Degradation des negativen Regulators TRAF3 begleitet. Darüber hinaus zeigte die H. pyloriinduzierte Signaltransduktion für den LTbR untypische Merkmale, nämlich eine stark untergeordnete Rolle von IKKa (inhibitor of kappaB kinase a) und im Gegensatz zu der Lymphotoxin (LT) a1b2-vermittelten LTbR-Stimulation, eine Abhängigkeit der p100 Phosphorylierung von der basalen kanonischen NF-kB Signaltransduktion. Dies legt eine Modulation der LTbR-Signaltransduktion durch H. pylori nahe. Die Untersuchungen zu dem T4SS-abhängigen Aktivierungsmechanismus schlossen eine Integrin a5b1-abhängige Injektion, wie sie für CagA nachgewiesen wurde, aus. Vorläufige Ergebnisse zeigen zudem, dass die T4SS-Komponente CagL und das äußere Membranprotein HofC (Helicobacter pylori outer membrane protein family C) in Kompetition zu LTa1b2 mit der Ektodomäne des LTbR in vitro interagierten. Daher könnten diese Proteine an der Aktivierung des LTbR beteiligt sein. Abschließend konnten wir in einer Kooperation mit Prof. Vieth (Institut für Pathologie, Bayreuth) zeigen, dass NIK ebenfalls in vivo in Gewebeproben von Patienten mit H. pylori-assoziierter Gastritis verstärkt stabilisiert wurde, was ein starkes Indiz für die Aktivierung des nichtkanonischen NF-kB ist und NIK als prognostischen Marker für diese Krankheit qualifizieren könnte. Im Ausblick ist zu erwähnen, dass der LTbR der Hauptvermittler der CXCL13 (chemokine CX- C motif ligand 13) Expression ist, welches in der H. pylori-assoziierten Gastritis erhöht und ein wichtiger Vermittler für die Entstehung von ektopischen lymphoiden Follikel ist und somit die Infiltration von B- und T-Zellen begünstigt. Diese Follikel sind in der H. pylori-assoziierten Gastritis bis zu vier Mal häufiger nachweisbar als in anderen Gastritis-Typen und sind in persistenten Infektionen typischerweise schädlich für den Wirt. Für diese Phänomene könnte die Entdeckung der LTbR-abhängigen nichtkanonischen NF-kB Aktivierung in der H. pylori Infektion ein wichtiger Verknüpfungspunkt sein und NIK potentiell als therapeutische Zielstruktur qualifizieren.