Evolution & Anpassung bei Pathogenen

Nichts in der Biologie ergibt einen Sinn außer im Licht der Evolution (T. Dobzhansky). Die Interaktion von Wirt und Pathogen ist keine Ausnahme von dieser Regel: auf der einen Seite müssen sich Krankheitserreger an den vielfältigen Stress und die wechselnden Umweltbedingungen in ihren Wirten anpassen. Auf der anderen Seite sind die Wirte das Produkt einer langen Evolutionsgeschichte hin zu weitereichender Resistenz gegen Mikroorganismen. Dieser evolutionäre Wettkampf hat zu einigen der erstaunlichsten biologischen Anpassungsstrategien geführt, von hochoptimierten Nährstoffaufnahmesystemen bis zum adaptiven Immunsystem der Wirbeltiere.

Uns interessieren die evolutionären Prozesse und Mechanismen von Candida albicans und C. glabrata während der Infektion. Wie die meisten Mikroorganismen können sich diese beiden wichtigsten opportunistischen krankheitserregenden Pilze durch ihre genetische Flexibilität und ihre kurzen Generationszeiten gut an wechselnde Umweltbedingungen anpassen. Dieses Phänomen ist ein bekanntes Problem, wenn es zur Entstehung von Resistenzen gegen Antimykotika führt.

Für unsere Experimente untersuchen wir stattdessen die evolutionären Anpassungen der Pilze an Makrophagen, den „großen Fressern“ des Immunsystems. Dazu verwenden wir zwei Modelle: einen C. glabrata-Wildtypstamm und einen speziellen Stamm von C. albicans, der wegen eines Hyphenbildungsdefekts nicht mehr aus Makrophagen ausbrechen und entkommen kann (wie es der normale Wildtyp macht). In beiden Fällen haben wir nach einer Reihe von Passagen in Co-Kultur von Pilz und Immunzellen einen überraschenden Wechsel des Phänotyps beobachten können: während die Ausgangsstämme als Hefen wuchsen, wechselte die Morphologie während des Experiments zu länglichen, hyphenartigen Strukturen. Interessanterweise gelten Hyphen, die wir hier als Anpassung beobachten konnten, bei C. albicans als zentraler Pathogenitätsfaktor.

Mit in vitro- und in vivo-Experimenten konnten wir die evolvierten Stämme näher untersuchen. Über Transkriptionsanalysen und Genomsequenzierungen konnten die Evolutionsereignisse auf einzelne Mutationen zurückverfolgt werden, und der mechanistische Zusammenhang zwischen diesen Einzelmutationen und der Veränderung der Wirt-Pathogen-Interaktion gefunden werden. Mit einem in vivo-Adaptationsexperiment von C. albicans an die Mausnieren komplementieren wir unsere in vitro-Ergebnisse.

Schema der Evolutionsversuche im Labor -- der Pilz wird für 24 h Immunzellen ausgesetzt, dann wieder isoliert und mit frischen Immunzellen konfrontiert. Dieser Zyklus wird täglich durchlaufen, bis sich die Candida-Hefen an die Immunzellen angepasst haben. — Schema der Evolutionsversuche im Labor -- der Pilz wird für 24 h Immunzellen ausgesetzt, dann wieder isoliert und mit frischen Immunzellen konfrontiert. Dieser Zyklus wird täglich durchlaufen, bis sich die *Candida*-Hefen an die Immunzellen angepasst haben.

Ergebnis eines Laborevolutionsexperiments -- die Mutante efg1∆/cph1∆ kann keine Hyphen mehr bilden und ist deswegen nicht in der Lage, aus Makrophagen zu entkommen. Nach einigen Monaten Koinkubation bildet die Mutante wieder Hyphen und zerstört die Wirtszellen. Oben: Mikrokoloniemorphologie; unten: Einzelzellmorphologie. — Ergebnis eines Laborevolutionsexperiments -- die Mutante *efg1*∆/*cph1*∆ kann keine Hyphen mehr bilden und ist deswegen nicht in der Lage, aus Makrophagen zu entkommen. Nach einigen Monaten Koinkubation bildet die Mutante wieder Hyphen und zerstört die Wirtszellen. Oben: Mikrokoloniemorphologie; unten: Einzelzellmorphologie.

Publikationen

Bacher P, Hohnstein T, Beerbaum E, Röcker M, Blango MG, Kaufmann S, Röhmel J, Eschenhagen P, Grehn C, Seidel K, Rickerts V, Lozza L, Stervbo U, Nienen M, Babel N, Milleck J, Assenmacher M, Cornely OA, Ziegler M, Wisplinghoff H, Heine G, Worm M, Siegmund B, Maul J, Creutz P, Tabeling C, Ruwwe-Glösenkamp C, Sander LE, Knosalla C, Brunke S, Hube B, Kniemeyer O, Brakhage AA, Schwarz C, Scheffold A (2019) Human anti-fungal Th17 immunity and pathology rely on cross-reactivity against Candida albicans. Cell 176(6), 1340-1355.e15. Details PubMed

Domínguez-Andrés J, Novakovic B, Li Y, Scicluna BP, Gresnigt MS, Arts RJW, Oosting M, Moorlag SJCFM, Groh LA, Zwaag J, Koch RM, Ter Horst R, Joosten LAB, Wijmenga C, Michelucci A, van der Poll T, Kox M, Pickkers P, Kumar V, Stunnenberg H, Netea MG (2019) The Itaconate Pathway Is a Central Regulatory Node Linking Innate Immune Tolerance and Trained Immunity. Cell Metab [Accepted] Details PubMed

Drummond RA, Swamydas M, Oikonomou V, Zhai B, Dambuza IM, Schaefer BC, Bohrer AC, Mayer-Barber KD, Lira SA, Iwakura Y, Filler SG, Brown GD, Hube B, Naglik JR, Hohl TM, Lionakis MS (2019) CARD9+ microglia promote antifungal immunity via IL-1β- and CXCL1-mediated neutrophil recruitment. Nat Immunol 20(5), 559-570. Details PubMed

Fischer D, Gessner G, Fill TP, Barnett R, Tron K, Dornblut K, Kloss F, Stallforth P, Hube B, Heinemann SH, Hertweck C, Scherlach K, Brunke S (2019) Disruption of membrane integrity by the bacteria-derived antifungal jagaricin. Antimicrob Agents Chemother [Accepted] Details PubMed

Gabaldón T (2019) Recent trends in molecular diagnostics of yeast infections: from PCR to NGS. FEMS Microbiol Rev , Details PubMed

Grondman I, Arts RJW, Koch RM, Leijte GP, Gerretsen J, Bruse N, Kempkes RWM, Ter Horst R, Kox M, Pickkers P, Netea MG, Gresnigt MS (2019) Frontline Science: Endotoxin-induced immunotolerance is associated with loss of monocyte metabolic plasticity and reduction of oxidative burst. J Leukoc Biol [Accepted] Details PubMed

Ho J, Yang X, Nikou SA, Kichik N, Donkin A, Ponde NO, Richardson JP, Gratacap RL, Archambault LS, Zwirner CP, Murciano C, Henley-Smith R, Thavaraj S, Tynan CJ, Gaffen SL, Hube B, Wheeler RT, Moyes DL, Naglik JR (2019) Candidalysin activates innate epithelial immune responses via epidermal growth factor receptor. Nat Commun 10(1), 2297. Details PubMed

Jaeger M, Pinelli M, Borghi M, Constantini C, Dindo M, van Emst L, Puccetti M, Pariano M, Ricaño-Ponce I, Büll C, Gresnigt MS, Wang X, Gutierrez Achury J, Jacobs CWM, Xu N, Oosting M, Arts P, Joosten LAB, van de Veerdonk FL, Veltman JA, Ten Oever J, Kullberg BJ, Feng M, Adema GJ, Wijmenga C, Kumar V, Sobel J, Gilissen C, Romani L, Netea MG (2019) A systems genomics approach identifies SIGLEC15 as a susceptibility factor in recurrent vulvovaginal candidiasis. Sci Transl Med [Accepted] Details PubMed

Swidergall M, Khalaji M, Solis N, Moyes D, Drummond R, Hube B, Lionakis M, Murdoch C, Filler S, Naglik J (2019) Candidalysin is required for neutrophil recruitment and virulence during systemic Candida albicans infection Journal of Infectious Diseases [Accepted] Details

Gerwien F, Skrahina V, Kasper L, Hube B, Brunke S (2018) Metals in fungal virulence. FEMS Microbiol Rev 42(1), (Review) Details PubMed Open Access

Wolf T, Kämmer P, Brunke S, Linde J (2018) Two's company: studying interspecies relationships with dual RNA-seq. Curr Opin Microbiol 42, 7-12. (Review) Details PubMed Open Access

Hsieh SH, Brunke S, Brock M (2017) Encapsulation of antifungals in micelles protects Candida albicans during gall-bladder infection. Front Microbiol 8, 117. Details PubMed Open Access

Böttcher B, Pöllath C, Staib P, Hube B, Brunke S (2016) Candida species rewired hyphae developmental programs for chlamydospore formation. Front Microbiol 7, 1697. Details PubMed Open Access

Naranjo-Ortíz MA, Brock M, Brunke S, Hube B, Marcet-Houben M, Gabaldón T (2016) Widespread inter- and intra-Ddmain horizontal gene transfer of d-amino acid metabolism enzymes in eukaryotes. Front Microbiol 7, 2001. Details PubMed Open Access

Böttcher B, Palige K, Jacobsen ID, Hube B, Brunke S (2015) Csr1/Zap1 maintains zinc homeostasis and influences virulence in Candida dubliniensis but is not coupled to morphogenesis. Eukaryot Cell 14(7), 661-670. Details PubMed Open Access PDF

Brunke S, Quintin J, Kasper L, Jacobsen ID, Richter ME, Hiller E, Schwarzmüller T, d'Enfert C, Kuchler K, Rupp S, Hube B, Ferrandon D (2015) Of mice, flies - and men? Comparing fungal infection models for large-scale screening efforts. Dis Model Mech (8), 473-486. Details PubMed Open Access PDF

Brunke S, Hube B (2014) Adaptive prediction as a strategy in microbial infections. PLOS Pathog 10(10), e1004356. Details PubMed Open Access

Brunke S, Seider K, Fischer D, Jacobsen ID, Kasper L, Jablonowski N, Wartenberg A, Bader O, Enache-Angoulvant A, Schaller M, d’Enfert C, Hube B (2014) One small step for a yeast - Microevolution within macrophages renders Candida glabrata hypervirulent due to a single point mutation. PLOS Pathog 10(10), e1004478. Details PubMed Open Access

Fischer D, Hube B, Brunke S (2014) Fine-scale chromosomal changes in fungal fitness. J Curr Fungal Infect Rep Vol. 8(2), 171-178. (Review) Details

Schwartze VU, Winter S, Shelest E, Marcet-Houben M, Horn F, Wehner S, Linde J, Valiante V, Sammeth M, Riege K, Nowrousian M, Kaerger K, Jacobsen ID, Marz M, Brakhage AA, Gabaldón T, Böcker S, Voigt K (2014) Gene expansion shapes genome architecture in the human pathogen Lichtheimia corymbifera: an evolutionary genomics analysis in the ancient terrestrial Mucorales (Mucoromycotina). PLOS Genetics 10(8), e1004496. Details PubMed Open Access

Wartenberg A, Linde J, Martin R, Schreiner M, Horn F, Jacobsen ID, Jenull S, Wolf T, Kuchler K, Guthke R, Kurzai O, Forche A, d'Enfert C, Brunke S, Hube B (2014) Microevolution of Candida albicans in macrophages restores filamentation in a nonfilamentous mutant. PLOS Genet 10(12), e1004824. Details PubMed Open Access

Brunke S, Hube B (2013) Two unlike cousins: Candida albicans and C. glabrata infection strategies. Cell Microbiol 15(5), 701-708. (Review) Details PubMed Open Access

Lüttich A, Brunke S, Hube B, Jacobsen ID (2013) Serial passaging of Candida albicans in systemic murine infection suggests that the wild type strain SC5314 is well adapted to the murine kidney. PLOS One 8(5), e64482. Details PubMed Open Access

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