Funktionelle, molekulare und strukturelle Charakterisierung der Zink-Metalloprotease ProA von Legionella pneumophila

Die Legionärskrankheit ist eine schwere Pneumonie, die durch Inhalation des humanen Lungenpathogens Legionella pneumophila ausgelöst wird. Durch eine umfassende Charakterisierung auf verschiedenen Organisationsebenen konnte in dieser Arbeit eine vielseitige Rolle der bakteriellen Zink-Metalloprotease ProA als Virulenzfaktor aufgezeigt und spezifiziert werden. Infektionsstudien mit proA-Mutagenesestämmen offenbarten, dass die Protease maßgeblich zur Vermehrung von L. pneumophila in humanen Lungengewebs­explantaten (HLTEs) beiträgt. Die intrazelluläre Replikation in Makrophagen und Epithelzelllinien ließ dabei vornehmlich auf extrazelluläre Effekte schließen. Erstmals konnte in histologischen Untersuchungen eine Verdickung der Alveolarsep­ten infolge ProA-vermittelter Degradation von Kollagen IV quantifiziert und eine verbesserte bakterielle Ausbreitung durch die Gewebeschädigung beobachtet werden. Darüber hinaus legte eine erhöhte Sensitivität der proA-defizienten Mutante gegenüber humanem Serum eine zentrale Rolle der Protease im Schutz vor der humoralen Immunantwort nahe. Auch das Zusammenspiel von ProA und bakteriellem FlaA ermöglicht dem Pathogen eine verbesserte Evasion. So wurde in einem HEK-Blue hTLR5-Modellsystem deutlich, dass die Flagellin-vermittelte Stimulation des TLR5-NF-κB-Signalwegs im Wirt durch einen Abbau der FlaA-Monomere über ProA reduziert wird. Eine Mutagenese und phänotypische Charakterisierung weiterer lasB-annotierter Proteasen von L. pneumophila Corby enthüllte einzelne synergistische Funktionen hinsichtlich der Vermehrung in HLTEs, der Tensidfilmsezernierung sowie der Serumresistenz des Pathogens. Eine Kristallisation und Strukturaufklärung von ProA bei 1,48 Å zeigte zudem Übereinstimmung mit homologen M4-Proteasen anderer Pathogene wie Pseudolysin von Pseudomonas aeruginosa. Unterschiede wurden insbesondere in äußeren Loopstrukturen wie der Substratbindestelle S₁' deutlich. Die Substratdeterminierung verschiedener Vertreter der Enzymfamilie scheint daher vorwiegend von spezifischen Aminosäuren in definierten Bindungsmotiven und weniger von allgemeinen strukturellen Ähnlichkeiten abhängig zu sein.

Insgesamt demonstriert die vorliegende Arbeit eine elementare Bedeutung von ProA für die Pathogenese der Legionärskrankheit durch Zerstörung pulmonalen Gewebes, Hemmung der Wirtsabwehrmechanismen und Unterstützung der Vermehrung und Ausbreitung von L. pneumophila in der menschlichen Lunge.