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Bisherige Testformate zum Nachweis von Antikörpern gegen enteropathogene Yersinia spp. bei Schweinen konnten lediglich eine Aussage darüber treffen, ob eine Infektion stattgefunden hat, jedoch nicht darüber, welcher der beiden Erreger, Y. enterocolitica bzw. Y. pseudotuberculosis, die Infektion verursachte. Ziel der Arbeit war daher die Entwicklung eines Immunoassays auf Basis der Beadtechnologie, der Serum und Fleischtropfsaft (FTS) von Schlachtschweinen sowohl als positiv bzw. negativ klassifizieren kann, als auch gezielt zwischen Y. enterocolitica und Y. pseudotuberculosis differenziert. 551 Serum- sowie 368 Fleischtropfsaftproben wurden mit dem im Rahmen der Arbeit entwickelten recomBead Yersinia pig Assay (Firma Mikrogen, Neuried, Deutschland), der die rekombinant hergestellten Antigene YopD, YopE, YopH, YopM, YopN, MyfA, PsaA und VAG-A enthält, gegen einen Referenztest, den PIGTYPE® YOPSCREEN ELISA (QIAGEN Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland) auf IgG Antikörper gegen Yersinien getestet. Verglichen mit dem ELISA zeigte der Beadassay im Serum eine Sensitivität von 98,3% und eine Spezifität von 98,4 %. Für FTS lagen Sensitivität und Spezifität bei 93,6 % bzw. 99,0 %. Von 307 im Beadtest positiv getesteten Seren konnten 180 Seren einem Erreger zugeordnet werden; das entspricht einem Prozentsatz von 58,6 %. Dabei handelte es sich um 179 Y. enterocolitica positive Seren sowie ein Y. pseudotuberculosis positives Serum. Beim FTS wurden 164 als positiv getestet, von denen 85 dem Erreger Y. enterocolitica zugeordnet werden konnten, das entspricht einer Differenzierungsquote von 51,8 %. Kein FTS wurde als Y. pseudotuberculosis positiv differenziert. Dies ist die erste Evaluierung eines Testsystems zum Nachweis von Antikörpern gegenüber beiden enteropathogenen Yersinia-Spezies sowie der Fähigkeit einer gleichzeitigen Erregerdifferenzierung. Der entwickelte Beadassay eignet sich zum Nachweis von Antikörpern aus Blut- und Fleischtropfsaftproben von Hausschweinen.

Background: Yersinia enterocolitica is a gastrointestinal foodborne pathogen found worldwide and which especially affects infants and young children. While different bioserotypes have been associated with varying pathogenicity, research on Y. enterocolitica is mainly conducted on the highly virulent mouse-lethal strains of biotype 1B and serotype O:8. We demonstrate here that two Y. enterocolitica bioserotype 1B/O:8 strains, 8081 and WA-314, display different virulence and fitness properties in a mouse model. In vivo co-infection experiments revealed that strain WA-314 overcomes strain 8081 in the colonization of spleen and liver. To trace the reasons of this incongruity, we present here the first high-quality sequence of the whole genome of strain WA-314 and compare it to the published genome of strain 8081. Results: Regions previously accepted as unique to strain 8081, like the YAPI and YGI-3 genomic islands, are absent from strain WA-314, confirming their strain-specificity. On the other hand, some fitness- and bacterial competition-associated features, such as a putative colicin cluster and a xenobiotic-acyltransferase-encoding gene, are unique to strain WA-314. Additional acquisitions of strain WA-314 are seven prophage-like regions. One of these prophages, the 28-kb P4-like prophage YWA-4, encodes a PilV-like protein that may be used for adhesion to and invasion of the intestinal cells. Furthermore, a putative autotransporter and two type 1 fimbrial proteins of strain WA-314 show a sequence similarity < 50% with the orthologous proteins in strain 8081. The dissimilar sequences of these proteins indicate possible different functions or interaction modes, reflecting the specific adhesion properties of Y. enterocolitica strains 8081 and WA-314 and thus the different efficiency of host colonization. Further important differences were found in two pYV plasmid-encoded virulence factors, YopM and YscP. The impact of these differences on virulence is discussed. Conclusions: Our study emphasizes that the virulence of pathogens can be increased, by acquiring new genes and/or improving the function of essential virulence proteins, resulting in permanently hyper-virulent strains. This work also highlights the importance of addressing genetic and phenotypic variations among closely related bacterial strains, even those belonging to the same bioserotype.

Die Pathogenität von enteropathogenen Yersinien-Spezies wird von einem Virulenzplasmid pYV kodiert. Das pYV kodiert für den Typ-III-Sekretions-/Translokationsapparat und die Yops. Sechs Yop-Effektorproteine sind bekannt, die in die eukaryote Zelle transloziert werden: YopE, YopH, YopM,YopO/ YpkA, YopP/ YopJ und YopT. Die intrazellulären Angriffspunkte und Wirkungen der einzelnen Yops auf die Zielzelle sind Gegenstand aktueller Forschung. In dieser Arbeit wurden erstmals systematisch potentielle Zytoskelettveränderungen von Thrombozyten durch Inkubation mit Yersinia-Monosekretionsmutanten YopH, YopE, YopO, YopP, YopM und den Yersinia-Monodeletionsmutanten DeltaYopH, DeltaYopE, DeltaYopT, DeltaYopO und DeltaYopM untersucht. Im zeitlichen Verlauf adhärieren uninfizierte Thrombozyten durch eine Zunahme der Fläche durch Ausbildung von Filopodien und Lamellipodien. In den durchgeführten Experimenten ähneln die mit der YopP-Monosekretionsmutante inkubierten Thrombozyten uninfizierten Thrombozyten, d.h. YopP zeigt als Einziges der untersuchtes Yops keinen Einfluss auf das Zytoskelett. Mit der YopH, YopM, YopE bzw. YopO-Monosekretionsmutante inkubierte Thrombozyten zeigen kleinere Zellflächen und eine Dominanz von abgerundeten Zellen. Dies deutet auf eine schlechtere Adhäsion der Zellen an der extrazellulären Matrix hin. In mit WA-C(pTRANS,pCJYM-HA) infizierten HeLa-Zellen konnte YopM zunächst im Zytosol, nach 2-4h Infektion zusätzlich im Zellkern lokalisiert werden. Ausserdem zeigten mit WAC(pTRANS,pCJYM-HA) infizierte HeLa-Zellen Zytoskelettveränderungen: ein ungeordnetes Zytoskelett mit Vakuolen, vereinbar mit einer Ablösung der Zelle von der Matrix. Kaya et al. konnten im Affinitätsblot in vitro eine Interaktion von YopM mit der intrazellulären Cystein-Protease Calpain zeigen. Wegen der morphologischen Ähnlichkeit zwischen mit WA-C(pTRANS,pCJYM) inkubierten bzw. mit Calpeptin, einem Calpain-Inhibitor, inkubierten Thrombozyten wurde die von Kaya et al. dargestellte Interaktion zwischen YopM und Calpain in vivo in dieser Arbeit überprüft. Die Präzipitationsversuche aus infizierten HeLa-Zellen über Calpain sowie über YopM ergaben keinen Hinweis auf eine Interaktion von YopM und Calpain. McDonald et al. publizierten RSK 1 und PRK 2 als intrazelluläre Interaktionspartner von YopM. Funktionelle Studien über die Proteine RSK 1 und PRK 2 lassen darauf schließen, dass sie regulierende Einflüsse auf das Zytoskelett, die Translation und das Zellüberleben haben. Diese Funktionen und die beobachteten Einflüsse von YopM auf das Zytoskelett der Zielzelle sind mit einem Modell vereinbar, in dem YopM die Zytoskelettveränderungen durch Interaktion mit RSK 1 und PRK 2 hervorrufen könnte. Diese Hypothese muss durch zukünftige Forschungen geklärt werden.

Die Pathogenität von Y. enterocolitica O:8 ist gekoppelt an das Vorhandensein des 70 kb großen Virulenzplasmides (pYV), das für die Gene eines Typ-III-Sekretionssystems kodiert und die Translokation von 6 Yop Effektorproteinen (YopE, YopH, YopM, YopO, YopP und YopT) in das Zytosol eukaryontischer Zellen ermöglicht. Intrazellulär interagieren Yop Proteine dabei mit verschiedenen Zellstrukturen und Signaltransduktionskaskaden, wodurch es zu einer Modulation der Immunantwort im Wirtsorganismus kommt. Durch systematische Mutagenese der yop-Gene und Untersuchung der yop Deletionsmutanten im Mausinfektionsmodell konnte in dieser Arbeit ein Einfluss der Yop Proteine auf die Virulenz und die Auslösung einer Immunantwort nachgewiesen werden. Die Translokation eines heterologen Antigens (YopE/LLO) durch das Typ-III-Sekretionssystem führte zur Induktion einer spezifischen CD4 und CD8 T-Zellantwort gegen Listeriolysin O (LLO) und ermöglichte die Verwendung von Y. enterocolitica als oralen Lebendimpfstoff zur Immunisierung gegen eine Listeria monocytogenes Wildtyp Infektion.

Die enterpathogenen Yersinia-Spezies unterlaufen die primären Abwehrmechanismen des Wirtes durch Einflußnahme auf Signaltransduktionskaskaden. Diese Subversion wird von einem 70 kDa Virulenzplasmid vermittelt, welches für ein Typ III Sekretion/Translokationsssystem und einige Virulenzfaktoren, sogenannte Yops (Yersinia outer proteins) kodiert. Die sechs bisher bekannten Effektor-Yops gelangen über das Sekretionssystem ins Zytoplasma von Makrophagen und Granulozyten, was in diesen zu einer Inhibition von Phagozytose, oxidative burst und Zytokinfreisetzung sowie zur Induktion der Apoptose führt. Ziel dieser Arbeit war es, die zellulären Angriffsproteine der Effektor-Yops YopM und YopO zu identifizieren. Als Methode diente das Yeast Two- Hybrid System. Es stellte sich heraus, dass YopM für diese Methode aufgrund seiner transskriptionsaktivierenden Eigenschaft nicht verwendbar ist. Dies und die Beobachtung, dass YopM in den Zellkern lokalisiert wird (77) deuten darauf hin, dass YopM möglicherweise als Transkriptionsfaktor in der Wirtszelle wirken könnte. Für YopO erbrachte die Two-Hybrid Untersuchung 31 positiv interagierende Klone, die als Rac1 (17 Klone, davon 4 unabhängige), Snk i.p. (11 Klone, davon 6 unabhängige) und Mus musculus spindlin (3 Klone) identifiziert werden konnten. Rac1 gehört zur Familie der Rho-GTPasen zu denen u.a. auch die Proteine RhoA und Cdc42 gehören. Diese kleinen G-Proteine sind in komplexer und in noch unvollkommen verstandener Weise an der Regulation vielfältiger Zellfunktionen beteiligt. Es konnte gezeigt werden, dass YopO neben Rac1 auch mit RhoA, nicht jedoch mit Cdc42 im Yeast Two-Hybrid System interagiert. Für YpkA, dem zu YopO homologen Protein aus Y. pseudotuberculosis zeigte sich das gleiche Interaktionsverhalten. Durch Koimmunopräzipitation konnten die Ergebnisse der Yeast Two-Hybrid Untersuchung mit einer zweiten, unabhängigen Methode bestätigt werden. Aus dem Zellysat von mit Yersinien infizierten humanen COS-Zellen, ließen sich RhoA und Rac1, nicht aber Cdc42 mit Hilfe von Anti-YpkA-Antikörpern koimmunopräzipitieren. In dieser Arbeit konnte mit zwei unabhängigen Methoden eine bis dahin unbekannte Affinität zwischen YpkA/YopO mit RhoA und Rac1 gezeigt werden. Es kann somit davon ausgegangen werden, dass RhoA und Rac1 die intrazellulären Angriffspunkte der Effektor- Yops YpkA bzw. YopO darstellen.