SPP2225 TP "Cell death dependency of Leishmania exit from infected macrophages"

Für eine für den Parasiten erfolgreiche Infektion und Persistenz im Wirtsgewebe muss Leishmania major (L. major) Zyklen aus Infektion, intrazellulärem Wachstum, und dem Übergang in neue Wirtsphagozyten durchlaufen. Der Austritt aus einer infizierten Primärzelle und die Aufnahme durch neu zu infizierende Sekundärzellen sind deshalb entscheidend für das Überleben des Parasiten im infizierten Patienten. Allerdings sind die diesem Prozess zugrundeliegenden molekularen und zellulären Mechanismen bislang weitgehend unbekannt. Mittels Lebendzellmikroskopie konnte beobachtet werden, dass der Parasit geschädigte Makrophagen über parasitenhaltige Ausstülpungen verlassen könnte, und dass dieser Austritt eng mit dem Übergang in neue Wirtszellen verknüpft ist. Unsere vorläufigen Ergebnisse weisen außerdem darauf hin, dass Makrophagen mögliche Austrittsstellen in anderen infizierten Zellen detektieren und die Parasiten direkt aus diesen Zellen phagozytieren können. Diese Befunde lassen die Hypothese zu, dass das Auslösen von Zelltod als ein zentraler Mechanismus sowohl dem Austritt von L. major aus einer infizierten Zelle als auch der Aufnahme durch neue Wirtszellen zugrunde liegt. Darüber hinaus konnte beobachtet werden, dass Parasiten kurz vor dem Zell-Zell-Transfer eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit aufweisen, der physiologische Zustand von L. major könnte also den Zelltod der infizierten Wirtszelle beeinflussen.
Deshalb soll im beantragten Projekt der Zusammenhang zwischen dem Auslösen von Zelltod, Pathogenwachstum, und dem Austritt von L. major aus der infizierten Zelle untersucht werden. In einer Kombination aus Lebendzellmikroskopie von humanen und Mausphagozyten, quantitativer Analyse des Austrittsprozesses mittels Durchflusszytometrie, und intravitaler 2-Photonenmikroskopie im infizierten Mausgewebe sollen zelluläre und molekulare Mechanismen identifiziert werden, die diesem für Persistenz, Verbreitung und Pathogenese von Leishmanien fundamentalen Prozess zugrunde liegen.
Dazu sollen (1) in vitro und in vivo die Art des Zelltods, der mit dem Austritt und dem Zell-Zell-Transfer von L. major verbunden ist, charakterisiert werden, (2) die identifizierten Prozesse in vitro und in der Infektionsstelle so manipuliert werden, dass Leishmanienaustritt und Zell-Zell-Transfer inhibiert wird, und (3) über Proteom-/Sekretomanalysen Parasitenfaktoren identifiziert werden, welche spezifisch mit Pathogenwachstum in der infizierten Wirtszelle, Zellaustritt und Zell-Zell-Transfer gekoppelt sein könnten.
Mit der Charakterisierung von Zelltodsignalen und Pasasitenfaktoren, welche mit dem Austritt von L. major aus infizierten Makrophagen zusammenhängen, sollte es möglich sein, bislang unbekannte, für das Überleben und die Verbreitung des Parasiten im Wirt kritische Virulenzelement zu finden, und damit sowohl im Wirt wie auch im Pathogen neue molekulare Zielstrukturen für die Behandlung der Infektion zu identifizieren.

Cell death dependency of Leishmania exit from infected macrophages

In order to establish infection and persist as a parasite population in the host, Leishmania major (L. major) has to undergo cycles of infection, intracellular proliferation, and transit to new host phagocytes. Therefore, the exit from an infected primary host cell and uptake by new, secondary infected cells are central to the parasite’s lifestyle in the infected patient. However, the underlying cellular and molecular mechanisms have remained elusive. Live cell imaging suggests that parasites leave damaged host macrophages by parasitophorous extrusions, and that the exit is closely connected with cell-to-cell transfer. Our preliminary work also reveals that macrophages appear to sense amastigote membrane proximity and phagocytose parasites from infected cells. Consequently, we hypothesize that cell death induction is a central mechanism underlying both the exit of L. major from infected host cells and uptake into new host cells. Furthermore, a high proliferation rate of has been observed in parasites shortly before cell-to-cell transfer, thus, the physiological state of L. major might affect cell death induction.
Consequently, in this project we will focus on the link between cell death induction and parasite proliferation with L. major exit. By the combination of both human and mouse live cell imaging, flow cytometry quantification of the exit process and intravital 2-photon imaging of the site of infection in a mouse model, we expect to identify cellular and molecular mechanisms involved in this fundamental process crucial for Leishmania persistence, propagation and pathogensis.
Specifically, we will (1) elucidate in vitro and in vivo the possible modes of cell death associated with L. major exit and transfer to new host cells, (2) manipulate the identified candidate cell-to-cell transfer mechanisms in order to prevent the exit and dissemination of the parasite in vitro and at the site of infection, and (3) identify candidates of the L. major secretome/proteome within the infected host cell which are linked to high pathogen proliferation, the induction of host cell death, and parasite exit.
With the characterization of the host cell death pathways and parasite factors associated with the induction of L. major exit, the proposed research should identify unrecognized virulence elements critical for pathogen survival and propagation in the host, and thus reveal on both the host and the pathogen side new important molecular targets for treatment of infection.