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1.Mit welcher/welchen Methode(n) kann man Virulenzfaktoren, die nur in vivo exprimiert werden, nachweisen/identifizieren? IVET (In Vivo Expression Technology); benötigt Plasmid piVET1, mit purA (Purin-Auxotrophie), lacZY und cloningsite. DNA-Fragmente von Genom z.B. von Salmonella in cloningsite eingesetzt, muss kein vollständiges Gen sein. Plasmid in purA- -Stamm transformiert. Plasmid muss durch Rekombination des DNA-Fragments in Chromosom integriert werden, danach ist Bakterium purA+(vll. nur in vivo). Maus mit Bakterien infiziert. Nur purA+ überleben. Bakterien aus Milz der Maus gewonnen. Ausplattiert auf X-Gal. Kolonien die auf Platte keine Galaktosidase produzieren, also weiße Kolonien, haben mit Gen rekombiniert, das nur in vivo exprimiert wird, da purA und lacXY, aufgrund des Promotors des Gens, auch nur in vivo exprimiert werden. 2. Definieren sie „Virulenzfaktor“ und „Virulenz(gen)kassette“ und nennen sie ein Beispiel. Als Virulenz ist das Maß der Fähigkeit eines Krankheitserregers einen Organismus zu infizieren. Eine hohe Virulenz bedeutet also eine hohe Ansteckungsgefahr. Eine Virulenzkassette ist ein DNA-Abschnitt auf dem in dichter Abfolge zahlreiche Gene, teilweise überlappend, deren Produkte möglicherweise interagieren bzw. kooperieren, codiert sind. Beispiel: von Vibrio Cholerae, enthält neben Cholera-Toxin noch weitere Enterotoxine und toxin coregulated pili (Rezeptor für den CTX-Phagen, welcher das Cholera-Toxin einbringt). TCP wurde davor schon vom VPIPhagen eingebracht (Vibrio Pathogenicity Island) 3. Geben sie zwei Beispiele für membranschädigende Toxine, erklären sie deren Wirkungsmechanismen und ihre Funktion im Infektionsprozess Poren-bildendes Staphylococcus aureus Alpha-Toxin als Monomer synthetisiert lagert es sich, über unidentifizierten AlphaToxin-Rezeptor, in die Membranen empfindlicher Zellen wie Blutplättchen und Monocyten ein. Bildet dort ein ringförmiges porenbildendes Heptamer. Führt zu freier Diffusion, Zelle läuft aus, Art der Necrose mit folgender Entzündung. Lipasen Clostridium Perfrigens Alpha-Toxin Lipase spaltet die polare Gruppe des Phosphatidylcholin (Lecithin) ab, welches die Membran aller tierischen Zellen stabilisiert. spaltet die polare Gruppe von Phosphatidylcholin (Lecithin) ab, welches sich in der Membran aller tierischen Zellen befindet und diese stabilisiert. Dadurch wird Membran destabilisiert. In vivo bindet und zerstört es Leukocyten (und Erythrocyten) 4. Erklären sie (die molekularen Mechanismen von) antigenic shift und antigenic drift, sowie die Unterschiede. Erläutern sie ebenfalls die epidemiologischen Folgen (bzw. welches verursacht Pandemien). antigenic shift ist der Prozess bei welchem Genmaterial zweier verschiedene Stämme von Influenza A (da nur A mehrere Spezies befällt) zu einem neuen Stamm kombiniert werden. Betrifft v.a. die Oberflächenproteine Hämaglutinin und Neuroamidase, von welchen es jeweils verschiedene Typen gibt. Dafür müssen beide Stämme die selbe Zelle infizieren, in welcher die Kombination des Erbgutes stattfindet. Das Immunsystem spricht dann vielleicht nicht mehr (so gut) auf den neuen Stamm an, was zu einer Epidemie führen kann. antigenic drift ist der Prozess der zufälligen Mutation in Antigenen (in Viren),die sich auf die Immunantwort des Wirtes auswirken (z.b. Vaccine mismatch, Verlust der Immunität etc.(durch mismatch der Antikörper, durch Veränderung der Oberflächenproteine der Viren)). Oder es wird dem Virus im Extremfall möglich andere Spezies zu befallen. Mutationen im Genom von Viren sind relativ häufig, da die Fehlerquote der RNAabhängigen Polymerase hoch ist. 5. Welche Bakterien können durch welche Mechanismen das Zytoskelett ihres eukaryotischen Wirtes beeinflussen? Mit welchen Molekülen wechselwirken die verantwortlichen Virulenzfaktoren und zu welchem Zweck? Wie wurden diese Virulenzfaktoren entdeckt? Nennen sie zwei Beispiele. Yersinia & Listeria invadieren Zellen durch Rearrangement des Zytoskeletts, genannt Zipper Mechanismus. Der Zelle wird vorgegaukelt eine cell junction formen zu müssen, wobei dann das Bakterium von einer Membraneinstülpung umschlossen und aufgenommen wird. Yersinia bindet mit Invasin an Integrin(Rezeptor, bzw. Verankerungsprotein an der Zelloberfläche) der Wirtszelle. Das Invasin hat eine Bindungsstelle für Integrin, welche der Bindungsstelle des wirtseigenen Laminin sehr ähnlich ist. Das Integrin wird aktiviert, darauf werden Kinasen aktiviert, darauf GEF (Guanidin nucleotide Exchange Factor(Rac&Cdc42 haben im inaktiven Zustand gebundes GDP, GEF tauscht GDP durch GTP aus, wodurch diese aktiviert werden)) aktiviert, darauf Rac(Actinpolymerisierung für Lamellipodien), Cdc42(Actinpolymerisierung für Filopodien) und Rho(Actinfaserbündelung für Stressfasern) aktiviert (in Klammer das Ergebnis). Das Zytoskelett ist sodann bereit das Bakterium mit der Membran zu umhüllen und aufzunehmen. Listeria bindet über Internalin an E-Cadherin der Wirtszelle und verändert dabei ebenfalls das Zytoskelett lokal. Salmonella & Shigella invadieren Zellen indem sie das Zytoskelett dazu veranlassen, um das Bakterium herum zahlreiche Ausstülpungen (Lamellipodien & Filopodien)mithilfe von Actin zu formen, die dann das Bakterium unkoordiniert in einem sogenannten Macropinosom einschließen und aufnehmen. Genannt Trigger Mechanismus. Salmonella injiziert durch ein Typ3 Sekretions-System (TTSS) Effektoren ( SipA, SopE, SopB, SptP) in die Zelle. SipA stabilisiert Actinfasern. SopE wirkt als GEF (Guanidin nucleotide Exchange Factor(Rac&Cdc42 haben im inaktiven Zustand gebundes GDP, GEF tauscht GDP durch GTP aus, wodurch diese aktiviert werden)), Rac(Actinpolymerisierung für Lamellipodien) und Cdc42(Actinpolymerisierung für Filopodien) regulieren die Strukturierung des Aktingerüsts. SopB(Inositolphosphatpolyphosphatase) stimuliert Aktionrearrangement für Eintritt des Bakteriums. SopE und SopB sind essentiell für die Invasion, sie sind für die Bildung des Makropinosoms verantwortlich. SptP wirkt als GAP (GTPase Activating Protein), also dem GEF/SopE entgegen, blockiert also weitere Aktin-Polymerisierung(Aktin depolymerisiert). Ist für Verschluss und Aufnahme des Makropinsoms verantwortlich. Listeria bewegen sich innerhalb der Zelle durch sogenannte Aktin Kometen (bzw. comet tails oder actin rockets) fort. Sie lassen sich von einem Strang aus quervernetzten kurzen ActinFilamenten wegschieben, dessen Polymerisierung sie, durch ActA&Profilin, kontrollieren. Experiment Z.B. nichtinvasive E.coli (normalzustand) werden mit Library von Yersinia transformiert, und auf (Wirts)Zellen inkubiert. Die Zellen werden danach gründlichst gewaschen, und danach sanft lysiert. Der Zellsaft wird ausplatteriert, wenn nun Kolonien wachsen, sind das jene, die durch die Transformation ein Gen erhalten haben, mit welchem sie die Zellen invadieren konnten, und somit nicht weggewaschen wurden. 6. Welches gramnegative Bakterium produziert zwei Toxine, die zur erhöhten Produktion von cAMP durch die Wirtszelle führen? Nennen sie die zwei Toxine und beschreiben sie kurz deren Wirkungsmechanismen. Bordatella Pertussis, ein Coccobazillus, produziert PTX (Pertussis Toxin) und CyaA. CyaA ist selbst (im Gegensatz zu PTX) eine Adenylatcyclase. Sie besteht aus 4 Domänen, der AC (Adenylatcyclase, also der katalytischen Domäne) mit einer Calmodulin Binding site, einer hydrophoben Transmembrandomäne, einer Palmitoylierungs-Stelle und einer Ca2+bindenen Domäne (und einem sekretorischen Signalabschnitt). CyaA wird als inaktives Zymogen synthetisiert und sekretiert, und durch Palmitoylierung aktiviert. Dann lagert sich die Transmembrandomäne und das Palmitoyl in die Membran der Zelle ein. Ist die Ca2+Konzentration hoch bindet Ca2+ an die Ca2+Domäne wodurch sich die Konformation von CyaA verändert und die katalytische Domäne in die Zelle gedrückt wird. Die AC-Domäne wird jedoch erst innerhalb der Zelle nach Bindung von Calmodulin aktiv. Dort wandelt CyaA ATP in cAMP um. Der Rezeptor für CyaA ist das αmβ2 Integrin, ein Adhäsionsmolekül der Leukocyten, welche somit von CyaA betroffen sind. CyaA inhibiert somit die Phagocytenmigration, wirkt auf Neuronen, und wirkt schleimhautschädigend Pertussis-Toxin (PTX) ist ein AB-Toxin mit 5 B Untereinheiten, die verschiedene Zellen binden können.. B.pertussis bindet an Cilien von Ephithelzellen v.a. in den Atemwegen. PTX bindet an eine Rezeptor in der Membran der Zielzelle, der darauf den inhibitorischen G-Protein-Komplex hemmt, welcher darauf nicht mehr inhibitorisch auf den zelleigene Adenylatcyclase wirkt, welche darauf vermehrt cAMP bildet. Steigt die Konzentration von cAMP wird die Protein Kinase A (PKA) aktiviert, die wiederum Proteine phosphoryliert, was wiederum das Verhalten der Zelle ändert. 7. Beschreiben sie die Mechanismen und Unterschiede, die dem Entstehen der Lepra lepromatose bzw. der Lepra tuberkoloides zugrunde liegen. Beide Arten werden durch das Mycobakterium leprae verursacht, das Zellen v.a. Makrophagen invadieren kann. Lepra tuberculoide zeichnet sich durch eine starke zelluläre Immunantwort durch Th1-Zellen gegen infizierte Makrophagen aus. TH1-Zellen sind in der Lage Makrophagen zu aktivieren, wodurch die befallenen Vesikel mit den Bakterien mit Lysosomen fusioniert werden, was das Ende der Bakterien bedeutet.Es entstehen lokale Granulome, sowie lokale Haut- & Nervenschäden, eine Entzündung wird sichtbar. Die Bakterien bleiben lokal und ihre Zahl niedrig, somit bestehen gute Überlebenschancen. Lepra lepromatosa zeichnet sich durch eine starke humorale Immunantwort durch Th2-Zellen aus, eine Fehlentscheidung des Immunsystem mit fatalen Folgen, durch ein schlechtes bestimmendes rechtslastiges Verhältnis von IL-4 und IL-12. Die TH2-Zellen schütten noch mehr IL-4 aus wodurch keine zelluläre Immunantwort mehr gegeben werden kann. Befallene Makrophagen verbreiten sich im ganzen Körper, dadurch wird Bindegewebe und das periphere Nervensystem erheblich geschädigt. Hypergammaglobulinämie und hohe IL-4 Konzentrationen sind charakteristisch, die Makrophagen werden ihrer Bakterizidität gehemmt. Es kommt ebenfalls zu Knochen- & Knorpelveränderungen. Die Überlebenschancen sind unbehandelt gering. 8. Was ist die Normalflora, ihre Vor- und Nachteile und warum löst sie keine Entzündungsreaktion aus? Die Normalflora sind Bakterien die direkt nach der Geburt den Körper besiedeln, wo er mit der Außenwelt in Kontakt steht (v.a. Schleimhäute und Darm). Die Vorteile für den Menschen kann man besonders in der Darmflora finden. So wird der menschliche Organismus durch seine Mutualisten mit Vitaminen und kurzkettigen Fettsäuren versorgt. Ebenfalls verstoffwechseln die Bakterien teils schädliches, teils unverdauliches, wovon auch der Wirt profitiert. Außerdem wird schon durch die große Menge an Bakterien im Darm eine Kolonialisierung durch Pathogene verhindert, ebenso wird das Immunsystem des Wirtes stimuliert/modulieren (Vorteilhaftigkeit umstritten). Nachteile ergeben sich v.a. für immunsupprimierte Wirte, für die die Normalflora durchaus pathogen ist. Ebenfalls ergeben sich Nachteile wenn Bakterien der Normalflora durch Verletztungen (z.B. im Darm) ins innere des Körpers gelangen, wo sie ebenso pathogen wirken, oder an Orte an denen sie nicht zur Normalflora gezählt werden. Manche Bakterien der Normalflora können pathogen wirken, wenn andere reduziert werden, z.B. durch eine Antibiotikabehandlung( E.coli, D.difficile, C. Albicans, S.epidermidis). Aber manche Bakterien können auch krebserregende oder andersartige schädliche Substanzen produzieren (z.B. H.pilori) Entzündungsreaktionen werden nicht durch die Normalflora ausgelöst, da sie entweder nicht in das lebende Gewebe vordingen können (Haut), oder es nicht kolonialisieren, da ihnen die nötigen Adhesine fehlen, wie im Darm, sodass sie nur im Mucus leben. Außerdem ist das Immunsystem angepasst, bzw. teilsupprimiert. 9. Erläutern sie die Konzepte „Infektion“, „Krankheit“ und „Virulenz“, außerdem „Parasit“ und „Pathogen“. Eine Infektion ist der Kontakt bzw. die Aufnahme eines Mikroorganismus bzw. Virus bzw. Parasits, dies muss nicht mit Symptomen einhergehen. Die Krankheit sind die Symptome die ein Pathogen hervorruft. Die Virulenz ist das Maß der Infektionsfähigkeit eines MOs/Virus/Parasits. Der Parasit ist ein Organismus der von einem anderen lebendem Organismus zehrt, zu dessen Nachteil. Das Pathogen ist ein lebendes oder lebloses krankheitserregendes Objekt. 10. Beschreiben sie die Funktion, Zusammensetzung und den Aufbau des PapPilus von E.coli. Der Pap-Pilus (Pyelonephritis adhesion pilus) is ein Adhäsin von E.coli. Er hat eine helicale Struktur und ragt aus der äußeren Membran. An seiner Spitze PapE trägt er, über das Adaptorprotein PapF gebunden, das Adhäsin PapG, das die Galabiose erkennt und bindet, die Teil von Rezeptoren ist, die an der Oberfläche von Erythrozyten und Epithelzellen der Harnwege zu finden ist (bei 95% der Menschen). Die Spitze selbst ist wiederum über das Adaptorprotein PapK mit einer helicalen Kette aus PapA-Proteinen verbunden, die den Pilus in seiner Länge definieren. Die PapA-Kette ist im Usher PapC (in der äußeren Membran) verankert, der nicht nur die Basis bildet, sondern auch den Zusammenbau des Pilus kontrolliert. Die Monomere werden im Plasma synthetisiert, durch den Sec-Apparat ins Periplasma transportiert, dort an Chaperone PapD gebunden, die dafür sorgen, dass die Unterheiten nicht im Periplasma polymerisieren, und zum Usher PapC transportiert. Dort trennen sie sich von den Chaperonen PapD, gelangen in den Usher PapC und werden zum Pilus polymerisiert. Alle dafür verantwortlichen Gene sind in einem Cluster codiert. 11. Erläutern sie KURZ die Funktion des Komplementsystems. Beschreiben sie außerdem die Wege für die Aktivierung des Komplementsystems und jeweils den ersten Schritt. 15% der GlobulinFraktion von Serum sind Proteine des Komplementsystems. Seine Funktionen sind die Lyse und Opsonisierung von Mikroorganismen. Sie dienen somit auch der Aktivierung von Entzündungsreaktionen. Außerdem sind sie unter anderem auch für die Beseitigung von Immunkomplexen verantwortlich. Es gibt drei Wege der Komplementsystemaktivierung. Zum einen der Klassische Weg, durch die Erkennung von Antikörpern auf der Oberfläche von Mikroorganismen oder anderen Antigenen. Zum anderen der Alternative Weg, durch die direkte Erkennung mikrobieller Oberflächenstrukturen. Wobei der Name „alternativ“ irreführend ist, da er phylogenetisch älter als der „klassische“ ist, jedoch wurde er zu einem späteren Zeitpunkt entdeckt. Und zuletzt der Lectin Weg, durch die Erkennung mikrobieller Polysaccharide, durch die Bindung von MBL (mannose-binding-lectin) an eben diese. Die Folge aller dieser drei Wege ist eine proteolytische Kaskade die unter anderem die Bildung des Membrane Attack Complex (MAC) zur Folge hat, mit der anschließenden Lyser der Zielzellen. Der Klassische Weg der Komplementaktivierung C1 bindet an den Antikörper-Antigen-Komplex auf der Zelloberfläche eines MOs. Danach binden C4b und C2a, welche darauf die C3-Convertase bilden. Diese spaltet sodann C3 in C3a und C3b. C3b nun bindet an die antigenbedeckte Oberfläche des MOs und opsonisiert diese so. Zusammen mit der C3-Convertase bildet C3b nun die C5-Convertase, welche darauf C5 zu C5b spaltet, wodurch die späteren Schritte eingeleitet werden. Dabei ist zu beachten, dass C1 nur die Fc-Region von Antikörpern IgM und IgG bindet, welche ein Antigen gebunden haben, alle anderen können nicht von C1 gebunden werden. Der Lektin Weg Das Mannose-binding-lectin MBL bindet mikrobielle Polysaccharide und aktiviert das C-System, da es C1 strukturell ähnlich ist. Der Alternative Weg C3 kann sich ebenfalls spontan in C3a und C3b spalten. Bindet C3b jedoch nicht kurz nach der Spaltung die Oberfläche eines Mikroorganismus, so wird es durch Hydrolyse inaktiviert. Hat nun C3b aber gebunden, so bindet FactorD daran, und spaltet B zu Bb. Bb und C3b bilden nun zusammen die C3bBb-Convertase (des alternativen Weges), welche darauf vermehrt C3 in C3a und C3b spaltet, wodurch die Oberfläche weiter opsonisiert wird. Nun bindet auch C3 an die C3bBb-Convertase und bildet so die C5Convertase. Diese spaltet nun C5 in C5b, wodurch die weiteren Schritte eingeleitet werden. Die Spaltung von C3 zu C3b setzt eine Thioestergruppe frei, welche leicht mit OH-Gruppen der Oberfläche von MOs eine Thioesterbindung eingehen kann. Andernfalls wird die Thioestergruppe von Wasser zu HS und COOH hydrolysiert. Durch die Spaltprodukte C5a, C3a und C4a werden Entzündungen eingeleitet. Die C5-Convertase als Ergebnis eines jeden Weges aktiviert die späteren Schritte. Die Opsonisierten MOs/Antigene können nun leicht von Phagocyten phaygocytiert werden. Spätere Schritte Die C5-Convertase spaltet C5 zu C5a und C5b. C5b nun bindet an C6-C7, worauf C7 den Komplex in der Membran der Zielzelle verankert. Nun tritt C8 hinzu und lagert sich ebenfalls in die Membran ein. Darauf folgen zahlreiche C9 welche eine Pore bilden, die als MAC Membrane Attack Complex bekannt ist. Durch diese Pore diffundieren nun Wasser und Ionen. Wodurch es zum Anschwellen und Platzen der Zelle kommen kann, oder zu Eintritt von Ca 2+, was in hoher Konzentration zu Apoptose führt. Die Spaltprodukte der proteolytischen Kaskade haben aber noch weitere Funktionen. Sie binden an Rezeptoren verschiedener Zellen, welche drauf unterschiedlich reagieren, z.B. veranlassen sie die Degranulation von Mastzellen und Basophilen, oder aktivieren die Phagocytose von Phagocyten. 12. Beschreiben sie die biochemische Natur und Beschaffenheit, den molekularen Wirkungsmechanismus und die biologische Aktivität der Neurotoxine von C.tetani und C.botulinum und auf welche Zellen sie wirken. Clostridium tetani und Clostridium botulinum sind beide grampositiv und sporenbildend. Ihre Neurotoxine sind AB-Toxine mit einer Zink-Peptidase als katalytische Domäne (A-Teil bzw. leichte Kette). Ziel dieser Peptidase sind Proteine, die die Sekretion an den Synapsen regulieren. Die Toxine werden als inaktives Zymogen synthetisiert, das erst durch eine Protease, bakterieller Herkunft oder aus dem Gewebe, gespalten werden muss. Die Domänen sind danach noch immer über Disulfidbrücken verbunden. Danach bindet eine der beiden schweren Ketten der B-Domäne einen Rezeptor an der Oberfläche der Wirtstelle, der darauf die Endocytose einleitet, welche das Toxin in einem Endosom in die Zelle transportiert. Im Endosom wird der ph-Wert durch die Zelle gesenkt, worauf die zweite schwere Kette der B-Domäne in Aktion tritt, die Konformation des Toxins ändert, wodurch (nur) die A-Domäne ins Cytosol translociert wird, wo sie aktiv wird. BoNT (Botulinum NeuroToxin) wird durch synaptische Vesikel aufgenommen, greift im Zytosol verschiedene Proteine der SNARE-Familie an (VAMP, Syntaxin, snap25). Ist ein hochaktives stabiles Toxin, ein Molekül kann gesamte Synapse lahmlegen. Verhindert die Ausschüttung von Acetlycholin aus synaptischen Vesikeln der Motorneuronen an den neuromuskulären Junctions. Ist somit ein Muskelrelaxan. Ist die Lunge betroffen führt dies zu Atemlähmung. TeNT (Tetani NeuroToxin) ebenfalls durch synaptische Vesikel aufgenommen, danach rückwärts durchs Axon transportiert. Wird durch die Synapse vom Motorneuron freigesetzt und vom inhibitorischen Interneuron aufgenommen. Dort im Cytosol zerstört TeNT das Protein VAMP aus der Familie der SNAREProteine. Dadurch wird die Ausschüttung von Acetlycholin verhindert, wodurch dieses inhibitorische Interneuron lahmgelegt ist, wodurch das angrenzende Motorneuron ständig aktiv ist, was zur Verkrampfung des Muskels führt. Ist die Lunge betroffen führt dies zu Atemlähmung. 13. Was haben Superantigene und Endotoxine gemeinsam? Wie wirken sie? Erklären sie die molekularen Mechanismen und wodurch sie sich unterscheiden. Endotoxine sind Bestandteile von Bakterien, deren primäre Eigenschaft es nicht ist pathogen zu wirken. So z.B. das Lipo-poly-Saccharid LPS aus der äußeren Membran gramnegativer Bakterien. Da es sich hierbei auch nicht um ein Peptid handelt und es auch keine katalytische Aktivität hat, ist es nicht denaturierbar und es lassen sich auch keine Toxoide herstellen. Die Spezifität und Toxizität ist gering. LPS besteht aus Lipid A, welches der toxische Teil ist, und einem PolysaccharidSchwanz, der speziesspezifisch ist. Bakterien scheiden zeit ihres Lebens aber v.a. nach dem Tod LPS ab. Das grampositive Äquivalent ist die Teichonsäure Die pathogene Wirkung der Endotoxine kommt erst durch die Immunantwort zustande. So wird LPS durch Rezeptoren der TLR-Familie (Toll Like Receptor) von Monozyten & Makrophagen erkannt. Dafür muss LPS erst vom LPS- binding-Protein gebunden werden, welches dann wiederum den TLR bindet. Daraufhin produzieren diese Leukozyten Cytokine wie TNF-α und IL-8, was weiters zur Immunantwort in Form von Entzündungen, Phagocytose, Blutgerinnung und Fieber(daher sind Endotoxine auch Pyrogene) etc. führt. Fällt diese Immunantwort, durch eine übermäßig hohe Konzentration von IL-1 und TNF-α, durch eine übermäßig hohe Konzentration von Endotoxinen (z.B. durch Massensterben von Bakterien infolge Antibiotikaeinsatz), zu stark aus, so kann der Wirt geschädigt werden. Denn Neutrophile setzen nun Proteasen und toxische Sauerstoffradikale gegen Bakterien frei, jedoch wird dadurch auch Gewebe geschädigt. Das Blut gerinnt zu sehr (disseminated intravascular clotting DIC), was zu ARDS (Acute Respiratory Disease Syndrom) führt. In Kombination mit Schäden an den Blutgefäßen kann dies weiters zur MOSF (Multiple Organ System Failure) führen, also Organversagen. Dies ist bekannt als Septischer Schock, eine der häufigsten Arten der postoperativen Komplikation. Super-Antigene sind hauptsächlich Exotoxine, manche Retroviren codieren aber auch Endotoxine. Sie binden, anders als normale Antigene, den MHC-II Rezeptor von Antigen Presenting Cells von außen und stabilisieren die Bindung des T-Zell-Rezeptors der TH-Zellen mit dem MHC-II. Dadurch werden alle TH-Zellen aktiviert, die daran binden, welche danach eine Immunantwort von zu großer Intensität einleiten, als Toxischer Schock bekannt. Hierbei produzieren Th-Zellen viel IL-2, was in weiterer Folge zu Fieber, Hypotonie Übelkeit und Erbrechen führt. Außerdem werden in weiterer Folge auch TNF-α IL-1 & 6 ausgeschüttet, die Folgen sind denen des Septischen Schocks ähnlich, was auch zu MOSF führen kann. Es reichen schon geringe Dosen um 5-25% alle TH-Zellen des Organismus zu aktivieren. 15. Erklären sie die verschiedenen Funktionen und Wirkungsweisen des MProteins von Streptococcus. Das M-Protein des S. pyogenes ist ein coilded coil Protein, das weit über die Oberfläche des Bakteriums hinaussteht. Es ist mit dem C-Terminus in der Membran und Zellwand verwankert. In der nähe der Spitze, also dem NTerminus, befindet sich eine variable Region, welche die Bindung von Antikörpern erschwert. Der N-Terminus selbst ist wie die Makrophagen an ihrer Oberfläche negativ geladen, sodass diese zusätzlich abgestoßen werden. Zwischen Spitze und Anker befindet sich ein konstanter Teil, welcher den eukaryotischen H-Faktor bindet, der wiederum die Bindung des eukaryotischen Faktors B verhindert, welcher ein Teil des alternativen Komplementweges ist. So wird auch der alternative Komplementweg unterbunden. So werden drei wichtige Mittel des Immunsystem unterdrückt, die Opsonisierung durch das Komplementsystem und Antikörper und die Phagocytose durch Makrophagen. 16. Vergleichen sie Cholera Toxin und Pertussi Toxin in Aufbau, Struktur, Funktion etc. Chlorera Toxin CTX von Vibrio cholera, gramnegativ Pertussis Toxin PTX von Bordatella pertussis, gramnegativ Beide Toxine erhöhren den cAMP-Spiegel in der Zelle. Beide sind AB-Toxine mit jeweils 5 B-Domänen. CTX wirkt aber v.a. auf den Epithelzellen im Darm, während PTX v.a. Epithelzellen und Phagocyten in den Atemwegen wirkt. CTX bewirkt eine Störung des Ionenhaushalts Zielzellen, was in weiterer Folge zu Diarrhoe führt. PTX hingegen stört die Phagocytenmigration, schädigt die Schleimhautzellen und reizt die Neurone. Sobald die A Untereinheit von CTX durch die B-Untereinheiten in die Zelle eingeschleust wurde, wird diese in A1 und A2 gespalten. A1 ADP-ribosyliert nun den stimulatorischen G-Protein-Komplex, welcher darauf eine Adenylatcyclase vermehrt stimuliert und diese dann mehr cAMP produziert. PTX hingegen inhibiert einen inhibitorischen G-Protein-Komplex, welcher darauf nicht mehr inhibitorisch auf eine Adenylatcyclase wirkt und diese somit auch mehr cAMP produziert. Durch die hohe Konzentration von cAMP wird in beiden Fällen die ProteinkinaseA aktiviert. Diese schaltet im Fall des CTX den Cl- Export in das Darmlumen an und den Na+ und Cl- Import aus dem Darmlumen aus, sodass ein osmotischer Fluss von Wasser aus der Zelle ins Darmlumen zustande kommt. Beide Bakterien erhalten ihre Pathogenität durch die Infektion mit Bakteriopahgen, im Falle von PTX sogar durch zwei aufeinanderfolgende Infektion mit zwei unterschiedlichen Phagen. 17. Vergleichen sie AB-Toxine und Endotoxine in ihrer chemischen Natur, Wirkung, Funktion etc. AB-Toxine sind Proteine mit mindestens 2 Domänen, einer A-Domäne und einer oder mehrere B-Domänen. Die A-Domäne hat katalytische effektive Aktivität, während die B-Domäne(n) eine Rezeptorfunktion hat und den Eintritt der A-Domäne in die Zielzelle vermittelt. AB-Toxine sind daher auch sehr spezifisch. Endotoxine sind keine Peptide, haben keine katalytische Aktivität und sind unspezifisch. Ihre primäre Funktion ist es nicht pathogen zu wirken, sondern sind, im Fall von LPS und Teichonsäure, Teile der Bakterienoberfläche, mit schützender Funktion. LPS und Teichonsäuren sind Derivate bzw. Polymere aus Kohlenhydrat(derivat)en und Lipiden. AB-Toxine werden meist durch eine durch die B-Domäne vermittelte Endocytose in die Zelle aufgenommen. Endotoxine hingegen werden nicht aufgenommen, sondern von TLRs von Leukocyten erkannt, worauf diese eine Immunantwort einleiten. Als Impfstoffe gegen AB-Toxine können die alleinigen B-Domänen als Toxoide verwendet werden. Von Endotoxinen lassen sich keine Toxoide herstellen. LPS besteht zum einen aus Lipid A als Anker, welches der toxische Teil des LPS ist. Es besteht aus Fettsäuren, Glucosamin und Phosphat. Daran kovalent gebunden ist ein Polysaccharid welches „inner core“ genannt wird, es besteht hauptsächlich aus KDO Ketodesoxyoctulonsäure und Heptosen. Daran bindet der aus Hexosen bestehende „outer core“. Der gesamte „core“ unterscheidet sich von Bakterienart zu Bakterienart. Und daran wiederum die „O-specific chain“, die aus repetitiven Zuckereinheiten besteht, welche von von Bakterienstamm zu Bakterienstamm unterschiedlich ist. Haben Leukozyten Endotoxine erkannt produzieren sie z.B. TNF-α und IL-8, die Folge ist eine Immunantwort in folgender Form. Es entwickeln sich Fieber und Enzzündungen, Phagocyten werden aktiviert. TNF und IL-1 wirken auf Endothelzellen von Kapillaren, sodass diese Selektine auf der Innenseite eprimieren, zu Anlockung von Immunzellen, außerdem bilden sie Spalten durch welche diese dann hindurchtreten können um ins Gewebe zu gelangen. Dieser Vorgang wird Diapedese genannt. Gefährlich werden Endotoxine in hoher Konzentration, da das Immunsystem überstimuliert wird. Makropagen werden hyperaktiv und produzieren zu viele Cytokine. Die weitere Folge sind durch Trombose & Emboliegefahr, Schäden durch Toxine von Neutrophilen, sowie durch Sauerstoffradikale. Genannt wird dies „Septischer Schock“, welcher durch hohe Konzentrationen von IL-1 und TNF-α ausgelöst wird. 18. A1B1 ist ein Neurotoxin und interagiert mit Aktin, A2B2 bindet Schleimhautzellen und inhibiert die Proteinsynthese. Wo binden A1B2 und A2B1 und welchen Effekt haben sie?. Die toxische Wirkung geht von der jeweiligen A-Domäne aus. Für die Bindung und den Eintritt in Zellen sind die jeweiligen B-Domänen verantwortlich. A1B1 bindet also Schleimhautzellen und interagiert in ihnen mit Aktin. A1B2 bindet also Nervenzellen und inhibiert die Proteinsynthese. 19. Geben sie Beispiele für Toxine, diekeine Proteine/peptide sind, und erklären sie ihren Wirkungsmechanismus. Endotoxine vgl. verhergegangene Fragen. 11. Welche Abwehrmechanismen haben Bakterien gegen das Immun- und Komplementsystem? 20. Strategien mit denen Mikroorganismen Antikörpern entgehen können. 21. Nennen sie drei Beispiele, wie Organismen durch Veränderungen der Oberflächenproteine der Immunantwort entgehen, und erklären sie welche Mechanismen diesen Veränderungen zugrunde liegen. Allgemeine Abwehmechanismen Mikroorganismen können sich wie folgt gegen das Komplementsystem verteidigen. Sie können Kapseln bilden, die die Bindung von Komplementproteinen verhindern, oder gebundens C3b verdecken, oder die C3-Konvertase inhibieren.. So z.B. Streptococcus pneumoniae. Die Kapseln bestehen aus Polymeren aus Polysacchariden und/oder Proteinen und manchmal aus Substanzen, die dem Körper nicht fremd sind, wie Hyaluronsäure, ein Bestandteil der Extrazellulären Matrix, oder Sialinsäure. Sialinsäurereiche Kapseln können Faktor H rekrutieren, welcher Faktor I rekrutiert, welcher C3b inaktiviert. Weiter kann die Peptidoglykanschicht der grampositiven Bakterien die Bindung von Komplementproteinen verhinderen. Die langen LPS-Ketten der gramnegativen Bakterien aber verhindern den Kontakt zwischen gebundenem C3b und dem Rezeptor an Phagocyten, außerdem verhindern sie, dass der MAC nicht in die Membran inserieren kann. Oder aber bestimmte Proteine in der äußeren Membran interagieren mit dem MAC, wodurch dieser die Membran auch nicht perforieren kann. Weiters kann die mikrobielle Elastase Bestandteile des Komplementsystem abbauen, wodurch dieses an Effektivität verliert. Außerdem können manche Mikroorganismen Proteine sekretieren, welche Komplementregulatoren nachahmen, und inhibitorisch auf das Komplementsystem wirken. Streptococcus hat das M-Protein, welches den H-Faktor des Komplementsystem binden kann, welcher dann die Bindung von Faktor B an C3b verhindert. Außerdem rekrutiert Faktor H den Faktor I, welcher C3b durch Spaltung inaktiviert. Außerdem ist der N-Terminus dieses Protein negativ geladen, genauso wie die Oberfläche von Makrophagen, wodurch diese abgestoßen werden. Und weiters ist an der Spitze des Proteins eine variable Region, welche die Bindung von Antikörpern erschwert. So kommt es nur sehr unwahrscheinlich zu einer Opsonisierungs des Bakteriums. Staphylococcus aureus hat das Protein A, ein Fc-Rezeptor an der Oberfläche des Bakteriums. Dieser Rezeptor bindet also den Fc-Teil von Antikörpern, welche somit sozusagen verkehrtherum auf dem Bakterium sitzen und so keine Funktion mehr haben. Die Opsonisierung ist somit verhindert. M-Zellen im Dünndarm nehmen durch den Zipper-Mechanismus Yerisina auf und transportieren diese durch Transcytose durch sich hindurch und geben sie auf der anderen Seite wieder frei. Dies ist ein natürlicher Mechanismus der Zelle um Antigene aus dem Darm APCs zu präsentieren. Yersinia trifft nun also auf Makrophagen. Yersinia besitzt aber ein Typ3 Sekretionssystem mit dem es dem Makrophagen Faktoren injiziert zur AktinDepolymerisierung, dessen Migration und Phagocytose dadurch gehemmt wird. Diese Faktoren sind YopE, ein GAP(Gegenteil von GEF), welches Rac, Cdc42 und Rho unwirksam macht, und YopH, eine Phosphatase, die Cas-pY inhibiert, welche die GEFs für rac, cdc42 und Rho dadurch nicht aktivieren kann. Außerdem hemmt Yersinia die Produktion von TNF durch den Makrophagen. Zusätzlich werden Poren in der Membran des Makrophagen gebildet und außerdem kommt es im weitere Verlauf zur Apoptose des Makrophagen. Bakterien können außerdem Biofilme bilden, gegen welche Phagocytose nutzlos ist. Diese Biofilme werden mit Lysozymen bekämpft, welche aber unselektiv sind und so auch Gewebe schädigen können. Salmonella typhemurium kann Apoptose induzieren. Dafür injiziert das Bakterium über ein Typ3 Sekretionssystem das Protein SipB welches eine zelleigene Initiatorcaspase aktiviert. Diese Initiatorcaspase aktiviert darauf die Caspase1, welche normalerweise nur Cytokinvorläufer spaltet, in diesem Fall jedoch die Apoptose induziert. Der Vorteil der Apoptose gegenüber der Nekrose ist, das darauf keine inflamatorische Reaktion folgt. Caspasen sind eine Familie von Proteinen, die Apoptose und Entzündungen regulieren. Sie sind Cystein-Aspartat-Proteasen, daher der Name. Initiatorund Effektorcaspasen bilden eine proteolytische Kaskade die durch Signale aus der Umgebung gestartet wird. Z.B. spaltet die Caspase1 Prointerleukin-1 zu IL-1. Das Protozoon Typanosoma brucei, der Verursacher der Schlafkrankheit, variiert periodisch sein Hüllglykoprotein VSG (Variable Surface Glycoprotein) (geschieht in allen Protozoen in einem Wirt ca. wöchentlich relativ konzertiert). Dies ist möglich durch Genduplikation/Translokation mehrer VGS-GenVarianten. Dabei werden Teile der promotorlosen Varianten an eine Stelle kopiert, welche danach exprimiert wird. Dadurch muss das Immunsystem ständig seine Antikörper neu anpassen, da die alten nicht mehr passen. Neisseria gonorrheae ändert die Sequenz seiner Pilins durch Genkonversion. Bei der Genkonversion rekombiniert das aktive Gen mit einem promortorlosen „Silent Gene“, der gleichen Art, dadurch variiert die Sequenz und damit das Genprodukt. Außerdem produziert es eine Protease die die „hinge“ Domäne vom sekretorischen IgA spaltet. Das Mycobakterium ist resistent gegen Säuren (Laugen & Austrocknung), eine Grundvoraussetzung um im Phagosom von Makrophagen zu überleben. Überdies verhindert es den Einbau der ProtonenATPase (Protonenpumpe) und die Fusion des Phagosoms mit Lysosomen, d.h. es hält die PhagosomenReifung im Stadium des „early phagosoms“ an, wodurch sich die Bedingungen für das Mycobakterium nicht verschlechtern. Es bleibt im Phagosom und vermehrt sich. Außerdem kann das Bakterium auch Sauerstoffradikale durch Zellwandkomponenten undschädlich machen. Wird der Makrophage jedoch aktiviert, werden die Phagosomen trotzdem mit Lysosomen vereinigt, und die Bakterien sterben. Listeria lässt sich durch den Zipper-Mechanismus durch Endocytose aufnehmen, löst dann aber durch das Listeriolysin, bzw. die Phosophlipase C, die Membran des Endo/Phagosoms auf und wird somit ind Cytoplasma freigesetzt. Dies funktioniert jedoch nicht in aktivierten Makrophagen, da das Phagosom zu schnell mit Lysosomen fusioniert wird. Weiters sind Streptococcus pyogenes durch Streptolysin und Staphylococcus aureus durch Leukocidin in der Lage in Phagocyten die Entladung des Inhalts von Lysosomen ins Cytoplasma zu erzwingen. Außerdem ist Streptolysin ein chemotaktisches Repellent für Phagocyten. 22. erklären sie die Invasions-, Infektions- und Ausbreitungsstrategie von Listeria monocytogenes. Listeria tritt durch den Zipper Mechanismus in die Zelle ein, dabei bindet es über Internalin an E-cadherin, welches darauf das Cytoskelett lokal rearrangiert. Listeria bindet über Internalin an E-Cadherin der Wirtszelle und verändert dabei ebenfalls das Zytoskelett lokal. Nun von einem Endosom umschlossen, befreit es sich durch die Lyse der Membran des Endosoms mithilfe von Listeriolysin bzw. Phospholipase C, und zwar bevor das Endosom mit einem Lysosom fusioniert. In aktivierten Makrophagen ist Listeria nicht schnell genug und wird verdaut. Nun frei im Cytoplasma kann Listeria mithilfe von ActA, wobei es von einem polymerisierendem Aktinstrang geschoben wird, eine filopoide Ausstülpung in die Membran der Wirtszelle drücken, welche dann sogar eine Einstülpung in die Membran der Nachbarzelle drückt. Fusionieren nun die Membranen hinter dem Bakterium wieder jeweils mit sich selbst, so ist das Bakterium nun von einem doppelmembranigen Vesikel umgeben. Dieses löst das Bakterium mit Lecithinase auf und befindet sich sodann frei im Cytosol der Nachbarzelle. 23. Was sind Biofilme, welche Auswirkungen haben sie? Pathophysiologische und epidemiologische Bedeutung? In Biofilme betten sich Bakterien selbst ein, sobald sie eine gewissen Zahl erreicht haben. Biofilme sind oft von gelartiger Konsistenz und bestehen aus Polysacchariden und/oder Proteinen. Im Biofilm befinden sich sogar Kanäle für erleichterte Diffusion. Durch den vermehrten Einsatz von Kunststoff in der Medizin finden Bakterien vermehrt Oberflächen auf denen sie haften können, im gegensatz zu Metall, und sich infolge dessen vermehren können und Biofilme bilden. Das betrifft v.a. Katheter, Implantate und medizinische Instrumente. Auch wurde beobachtet, dass sich gerade in Biofilmen Antibiotikaresistenzen besonders schnell verbreiten. 24. Welche Ereignisse spielen in den meisten Infektionskrankheiten eine Rolle? Können sie Ausnahmen nennen, z.B. Krankheiten, in deren Verlauf MO und Wirt nie in direkten Kontakt kommen? Am Anfang steht die Infektion, also die Begegnung von Wirt und Pathogen. Das Pathogen tritt in den Wirt ein. Das Pathogen vermehrt und verbreitet sich in unterschiedlicher Reihenfolge. Das Pathogen schädigt den Wirt, die Krankheit bricht aus. Das Ergebnis ist unterschiedlich. Der Wirt kann über das Pathogen siegen, oder umgekehrt, oder sie leben in Koexistenz. 25. Beschreiben sie die molekularen Grundlagen der Invasionsstrategie von Salmonella (typhimurium). Salmonella & Shigella invadieren Zellen indem sie das Zytoskelett dazu veranlassen, um das Bakterium herum zahlreiche Ausstülpungen (Lamellipodien & Filopodien)mithilfe von Actin zu formen, die dann das Bakterium unkoordiniert in einem sogenannten Macropinosom einschließen und aufnehmen. Genannt Trigger Mechanismus. Alle im folgenden genannten bakteriellen Genprodukte werden auf der „Salmonalle Pathogenicity Island 1“ SPI1 codiert, einem Genabschnitt. Salmonella injiziert durch ein Typ3 Sekretions-System (TTSS) Effektoren ( SipA, SopE, SopB, SptP) in die Zelle. SipA stabilisiert Actinfasern. SopE wirkt als GEF (Guanidin nucleotide Exchange Factor(Rac&Cdc42 haben im inaktiven Zustand gebundes GDP, GEF tauscht GDP durch GTP aus, wodurch diese aktiviert werden)), Rac(Actinpolymerisierung für Lamellipodien) und Cdc42(Actinpolymerisierung für Filopodien) regulieren die Strukturierung des Aktingerüsts. SopB(Inositolphosphatpolyphosphatase) stimuliert Aktionrearrangement für Eintritt des Bakteriums. SopE und SopB sind essentiell für die Invasion, sie sind für die Bildung des Makropinosoms verantwortlich. SptP wirkt als GAP (GTPase Activating Protein), also dem GEF/SopE entgegen, blockiert also weitere Aktin-Polymerisierung(Aktin depolymerisiert). Ist für Verschluss und Aufnahme des Makropinsoms verantwortlich. SPI zwei codiert Gene für das Überleben im Makrophagen und der Verbreitung zu Leber und Milz durch Makropagen.
