title: The role of apoptosis and of the human transcription factor STAT1 for the intracellular defense against Trypanosoma cruzi
title: Die Rolle der Apoptose und des humanen Transkriptionsfaktors STAT1 bei der intrazellulären Abwehr von Trypanosoma cruzi
Creators: name: Stahl, Philipp
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Trypanosoma cruzi
Tyrosinphosphorylierung
Apoptose
apoptosis
Chagaskrankheit
serine phosphorylation
Interferon
Chagas-Krankheit
Stat
STAT1
Serinphosphorylierung
Chagas´disease
tyrosine phosphorylation
Medizin, Gesundheit

description: Das Protozoon Trypanosoma cruzi (T.
      cruzi) ist der Erreger der Chagaskrankheit, einer Zoonose,
      die mehr als acht Millionen Menschen in Mittel- und
      Südamerika befällt und zur dilatativen Kardiomyopathie oder
      Megabildung des Gastrointestinaltrakts führen kann, die mit
      schwerer Krankheit einhergehen und zum Tode führen. Die
      Chagaskrankheit gilt als vernachlässigte Tropenkrankheit und
      ist die führende Ursache für schwere Herzerkrankungen in
      Lateinamerika insbesondere in der armen Bevölkerung,
      einhergehend mit hohen sozio-ökonomischen Belastungen. Der
      Hämoflagellat wird überwiegend über Raubwanzen aus der
      Familie der Reduviidae als Vektoren übertragen, aber auch
      durch Bluttransfusion, Organspende, kongenital oder über
      kontaminierte Nahrungsmittel, kann Jahrezehnte im Wirt
      persistieren und schließlich die chronische Form der
      Chagaskrankheit verursachen. Die vorliegende Dissertation
      zeigt im Rahmen von Untersuchungen zur Ätiopathogenese der
      Chagas-Kardiomyopathie, dass die Infektion mit der
      extrazellulären Form von T. cruzi den sogenannten
      Trypomastigoten, zur Induktion von Apoptose in primären
      Kardiomyozyten der Ratte ex vivo führt. Im Rahmen einer neu
      beschriebenen Extraktionsmethode für intrazelluläre
      Lebenszyklusformen, den Amastigoten von T. cruzi, konnte im
      weiteren gezeigt werden, dass bei Infektion von
      Kardiomyozyten mit aufgereinigten Amastigoten ebenfalls
      Apoptose in diesen Zellen ausgelöst wird. Eine
      Hochregulierung des apoptotischen Gens bax durch
      Trypomastigote, eine Herunterregulierung des
      antiapoptotischen Gens bcl-2 durch Amastigote sowie die
      Aktivierung des Transkriptionsfaktors Signaltransduktor und
      Aktivator der Transkription3 (STAT3) konnte im Rahmen der
      Analysen ebenfalls beobachtet werden. Es zeigte sich darüber
      hinaus, dass Toll-like-Rezeptoren an der intrazellulären
      Erkennung von T. cruzi durch eine erhöhte Genexpression von
      tlr7 beteiligt sind. Aufgereinigte Glykolipide von der
      Oberfläche von Trypomastigoten, Glykosylphosphatidylinositole
      (GPI), zeigten allerdings weder einen Effekt auf die Apoptose
      von Kardiomyozyten, noch eine STAT-Aktivierung. Es zeigte
      sich aber eine positive Wirkung auf die Genexpression von
      tlr7. Diesen ersten Teil der Dissertation zusammfassend,
      lässt sich sagen, dass die Chagas-Kardiomoypathie in Teilen
      auf die Apoptose von Kardiomyozyten, die direkt durch
      T.cruzi-Parasiten induziert wird, zurückzuführen ist. Im
      zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass die
      Vorstimulation von humanen Wirtszellen mit Interferon-γ
      (IFNγ) die intrazelluläre Vermehrung von Amastigoten von
      T.cruzi hemmt. Dieser durch IFNγ initiierte protektive Effekt
      basiert auf der Aktivierung des Transkriptionsfaktors STAT1
      und wurde in einer STAT1-defizienten Knock-out-Zelllinie
      nicht beobachtet. Des Weiteren zeigte sich eine starke
      Aktivierung von STAT1 durch Phosphorylierung seines
      Tyrosinrests 701 sowie des Serinrests 727 in mit T.
      cruzi-infizierten Zellen ohne vorherige Behandlung mit IFNγ.
      Diese Beobachtung war begleitet von einer Erhöhung der
      Bindungsaktivität von STAT1 an spezifische DNA-Elemente und
      einer erhöhten Expression von STAT1-Zielgenen. Die
      Gesamtmenge an zytoplasmatisch vorliegendem STAT1 war
      ebenfalls titerabhängig nach einer T. cruzi-Infektion sowohl
      auf mRNA- als auch auf Protein-Ebene erhöht. Dieser Befund
      impliziert eine positive Rückkopplung von STAT1 auf seine
      eigene Genexpression. Dennoch sind im Zytoplasma vorliegende
      Amastigote in der Lage, sich weiterhin erfolgreich zu
      vermehren, was auf die Hemmung der STAT1- Signaltransduktion
      zurückzuführen ist, die spezifisch die Serinphosphorylierung
      in Position 727, aber nicht jene von Tyrosin in Position 701
      vermindert, um dem antiparasitären Effekt von vollständig
      aktiviertem STAT1 zu umgehen. Zusammenfassend deuten diese
      Ergebnisse darauf hin, dass der IFNγ/STAT1- Signalweg eine
      Schlüsselrolle im Gleichgewicht zwischen Parasitenlast und
      der antimikrobiellen Antwort der Wirtszellen zu spielen
      scheint.
description: The protozoan hemoflagellate
      Trypanosoma cruzi (T. cruzi) is the etiologic agent of the
      zoonotic Chagas’ disease that affects approximately eight
      million people in Central and South America causing dilated
      cardiomyopathy or megavisceral disease with debilitating
      morbidity or death. Nowadays, Chagas’ disease is classified
      as a neglected tropical disease (NTD) and is the leading
      cause of heart disease in Latin America among people living
      in poverty with an immense socio-economic burden. The
      parasite is traditionally transmitted by reduviid bugs, by
      blood transfusion, organ transplantation, congenitally or
      orally by contaminated food and is able to persist for
      decades finally causing chronic Chagas’ disease. To elucidate
      the etiopathogenesis of chronic chagasic cardiomyopathy, this
      doctoral thesis demonstrates that infection with the
      extracellular form of T. cruzi, termed trypomastigotes,
      induces apoptosis in primary rat cardiomyocytes ex vivo.
      Furthermore, a new purification method for the intracellular
      life-cycle stage of amastigotes was established and,
      additionally, it was demonstrated that cardiomyocytes also
      showed apoptosis after inoculation with purified amastigotes.
      Up-regulation of the apoptotic gene bax by trypomastigotes
      and down-regulation of the anti-apoptotic gene bcl-2 by
      amastigotes was associated with the increase of apoptosis in
      cardiomyocytes as well as an activation of the human
      transcription factor signal transducer and activator of
      transcription 3 (STAT3). There was evidence that Toll-like
      receptors are involved in the intracellular recognition of T.
      cruzi after host cell invasion by this protozoan, since gene
      expression of tlr7 was found to be up-regulated. Purified
      glycosylphosphatidylinositols (GPIs) from trypomastigotes,
      however, showed neither an effect on cardiomyocyte apoptosis
      nor on STAT activation but down-regulated tlr7 expression. To
      conclude this first part of the thesis, cardiomyopathy in
      chronic Chagas’ disease might be in part due to apoptosis of
      cardiomyocytes directly induced by T. cruzi. In the second
      part of the thesis it is reported that stimulation of host
      cells with interferon-γ (IFNγ) impaired multiplication of
      intracellular T.cruzi-amastigotes in infected human cells via
      the transcription factor STAT1, which was ineffective in
      STAT1-negative cells. Furthermore, a solid activation of
      STAT1 through phosphorylation of both tyrosine residue 701
      and serine residue 727 in T. cruzi-infected cells were
      observed, even in the absence of pre-treatment of host cells
      with IFNγ. STAT1 phosphorylation was accompanied by an
      increase in binding to STAT-specific DNA elements and
      concomitant up-regulation of STAT1-regulated target genes.
      The total amount of cytoplasmic STAT1-protein was increased
      in response to T.cruzi invasion in an infectious-dose
      dependent manner both at mRNA and protein level, indicating a
      positive feedback loop for STAT1 expression. Nevertheless,
      amastigotes successfully replicating intracellularly
      inhibited STAT1 signaling by specifically impairing the
      phosphorylation status of STAT1 serine 727, but not of
      tyrosine 701, indicating a strategy of circumventing the
      protective effect of fully-activated STAT1. Summarizing these
      findings, it has been clearly shown that the
      IFNγ/STAT1-signalling pathway plays a key role in the combat
      between T. cruzi parasites and their host cells.