The obligate intracellular pathogen Chlamydia trachomatis is the causative agent of
trachoma related blindness and the sexually transmitted pelvic inflammatory disease.
Being an obligate intracellular pathogen, C. trachomatis has an intricate dependency
on the survival of the host cell. This relationship is indispensible owing to the fact that
the pathogen spends a considerable fraction of its biphasic lifecycle within a
cytoplasmic vacuole inside the host cell, the so-called chlamydial inclusion. The
cellular apoptotic-signalling network is governed by several finely tuned regulatory
cascades composed of pro- and anti-apoptotic proteins that respond to changes in
the cellular homeostasis. In order to facilitate its intracellular survival, Chlamydia has
been known to inhibit the premature apoptosis of the host cell via the stabilization of
several host anti-apoptotic proteins such as cIAP2 and Mcl-1. While the pro- and
anti-apoptotic proteins are the major regulators of the host apoptotic signalling
network, a class of the small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) has
increasingly gained focus as a new level of regulatory control over apoptosis.
This work investigates the changes in the host miRNA expression profile post
Chlamydia infection using a high throughput miRNA deep sequencing approach.
Several miRNAs previously associated with the modulation for apoptotic signalling
were differentially expressed upon Chlamydia infection in human endothelial cells. Of
the differentially regulated miRNAs, miR-30c-5p was of particular interest since it had
been previously shown to target the tumor suppressor protein p53. Our lab and
others have previously demonstrated that Chlamydia can downregulate the levels of
p53 by promoting its proteasomal degradation. This work demonstrates that
Chlamydia infection promotes p53 downregulation by increasing the abundance of
miR-30c-5p and a successful infection cycle is hindered by a loss of miR-30c-5p.
Over the last decade, dedicated research aimed towards a better understanding of
apoptotic stimuli has greatly improved our grasp on the subject. While extrinsic
stress, deprivation of survival signals and DNA damage are regarded as major
proponents of apoptotic induction, a significant responsibility lies with the
mitochondrial network of the cell. Mitochondrial function and dynamics are crucial to
cell fate determination and dysregulation of either is decisive for cell survival and
pathogenesis of several diseases. The ability of the mitochondrial network to perform
its essential tasks that include ATP synthesis, anti-oxidant defense, and calcium
homeostasis amongst numerous other processes critical to cellular equilibrium is tied
closely to the fission and fusion of individual mitochondrial fragments. It is, thus,
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unsurprising that mitochondrial dynamics is closely linked to apoptosis. In fact, many
of the proteins involved regulation of mitochondrial dynamics are also involved in
apoptotic signalling. The mitochondrial fission regulator, Drp1 has previously been
shown to be transcriptionally regulated by p53 and is negatively affected by a miR-
30c mediated inhibition of p53. Our investigation reveals a significant alteration in the
mitochondrial dynamics of Chlamydia infected cells affected by the loss of Drp1. We
show that loss of Drp1 upon chlamydial infection is mediated by the miR-30c-5p
induced depletion of p53 and results in a hyper-fused architecture of the
mitochondrial network.
While it is widely accepted that Chlamydia depends on the host cell metabolism for
its intracellular growth and development, the role of mitochondria in an infected cell,
particularly with respect to its dynamic nature, has not been thoroughly investigated.
This work attempts to illustrate the dependence of Chlamydia on miR-30c-5p induced
changes in the mitochondrial architecture and highlight the importance of these
modulations for chlamydial growth and development.Das Gram-negative Humanpathogen Chlamydia trachomatis versursacht das Trachom, eine ansteckende follikuläre Bindehautentzündung, die letztlich zur Erblindung Infizierter führt, sowie sexuell übertragbare Entzündungen im Urogenitaltrakt. C. trachomatis ist ein obligat intrazelluläres Bakterium mit einem biphasischen Lebenszyklus, der in einer spezialisierten Vakuole innerhalb des Wirtszellzytoplasmas durchlaufen wird, der sogenannten Chlamydien-Inklusion.
C. trachomatis ist daher davon abhängig, dass die infizierte Wirtszelle überlebt, bis die Entwicklung des Erregers abgeschlossen ist und moduliert dazu das apoptotische Signalnetzwerk der Wirtszelle. Dieses besteht aus mehreren fein aufeinander abgestimmten regulatorischen Kaskaden aus pro- und anti- apoptotischen Proteinen, die normalerweise auf Veränderungen in der zellulären Homöostase reagieren und als Folge den programmierten Zelltod einleiten können. Es ist jedoch bekannt, dass Chlamydia die Apoptose der Wirtszelle durch Stabilisierung mehrerer anti-apoptotischer Wirtsproteine wie cIAP2 und Mcl-1 inhibiert. Während pro- und anti-apoptotische Proteine Hauptregulatoren des Apoptosesignalnetzwerks darstellen, wurde kürzlich eine neue Ebene der Apoptose- Regulation identifiziert, die durch kleine, nicht-kodierende microRNAs (miRNAs) gesteuert wird.
In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Veränderungen in dem miRNA Expressionsprofil von Wirtszellen nach einer Chlamydieninfektion. Mittels miRNA deep sequencing wurden dabei mehrere miRNAs identifiziert, die abhängig von der Infektion mit Chlamydia differentiell in menschlichen Endothelzellen exprimiert werden und deren Funktion mit der Modulation der Apoptose-Signalwege assoziiert sind. Dabei war miR-30c-5p von besonderem Interesse, da deren molekulares target das Tumorsuppressorprotein p53 ist. Unter anderem durch unser Labor wurde dabei bereits gezeigt, dass Chlamydia den Proteasom-vermittelten Abbau von p53 fördert und somit die Menge des Proteins in der Wirtszelle depletieren kann. In der hier vorliegenden Arbeit zeige ich darüberhinaus, dass eine Chlamydia-Infektion die p53 Mengen in den Wirtszellen senkt, indem miR-30c-5p verstärkt produziert wird, während das intrazelluläre Wachstum von C. trachomatis durch den Verlust von miR- 30c-5p inhibiert wird.
Zusammen mit den apoptotischen Regulationskaskaden entscheiden auch die Integrität der Mitochondrien sowie die Dynamik des mitochondrialen Netzwerks über das Schicksal der Zelle. Eine Dysregulation dieser Funktionen führt zur Einleitung
des Zelltods und bildet die Grundlage der Pathogenese mehrerer Krankheiten. Zu den wesentlichen Aufgaben des mitochondrialen Netzwerkes gehören, neben zahlreichen anderen, die Synthese von ATP, die Detoxifizierung von reaktiven Sauerstoff-Spezies sowie die Kalziumhomöostase. Die funktionelle Integrität des mitochondrialen Netzwerks ist dabei stark von Teilungs- und Fusionsraten mitochondrialer Fragmente abhängig und diese mitochondriale Dynamik ist wiederum eng mit der Apoptose verknüpft; so sind etwa viele Proteine, welche die mitochondriale Dynamik regulieren, auch an der apoptotischen Signalgebung beteiligt. Zum Beispiel wird die Transkription des an der Mitochondrienteilung beteiligten Proteins Drp1 durch p53 reguliert und eine miR-30c-vermittelte Inhibition von p53 senkt daher die Menge an Drp1 in der Zelle.
In der hier vorliegenden Arbeit demonstriere ich die signifikante Veränderung der mitochondrialen Dynamik in menschlichen Zellen nach einer Chlamydieninfektion. Die entstehende hyperkondensierte Architektur des mitochondrialen Netzwerks ist dabei auf den Verlust von Drp1 zurückzuführen, welcher durch die miR-30c-5p- induzierte Depletion von p53 vermittelt wird. Während die Abhängigkeit des intrazellulären Wachstums von Chlamydia vom Stoffwechsel der Wirtszelle weitgegen akzeptiert ist, wurde die Rolle der Mitochondrien und die Dynamik des mitochondrialen Netzwerks in infizierten Zellen bisher vernachlässigt. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal die Abhängigkeit von Chlamydia auf miR- 30c-5p induzierte Veränderungen in der mitochondrialen Architektur illustriert
