Mikrobielle Biochemie und Physiologie (bis 2015)

Wir forschen an der Pathogenese und Anpassungsfähigkeit von Pilzen.

  • Nährstoffakquisition und Metabolismus pathogener Pilze im Infektionsprozess
  • In vivo Real-time Imaging von Pilzinfektionen in murinen Infektionsmodellen
  • Sekundärmetabolite von Aspergillus terreus

Lebensbedrohliche Pilzinfektionen haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Dies ist besonders auf eine erhöhte Zahl von Patienten mit Immunsuppressionen zurückzuführen. Das wissenschaftliche Verständnis dieser Infektionen, sowie ihrer Behandlungsmöglichkeiten sind jedoch begrenzt.

Wir untersuchen daher die Fähigkeit pathogener Pilze, Nährstoffe aus der Wirtsumgebung zu akquirieren und für den eigenen Metabolismus zu nutzen. Dabei wird sowohl nach allgemeingültigen metabolischen Prozessen wie auch Spezies-spezifischen Unterschieden geforscht, welche die Vielfalt der möglichen Wirt-Pathogen-Interaktionen widerspiegeln. Da die Nährstoffaufnahme essentiell für die Infektionsetablierung ist, sollen durch unsere Studien Ansatzpunkte für neue Antimykotika definiert werden.

Untersuchungen zum Infektionsprozess greifen häufig auf konventionelle Infektionsmodelle zurück, wobei nur Schnappschüsse der Infektion aufgenommen werden, aus denen das Gesamtbild des Infektionsverlaufs zusammengesetzt werden muss. Daher entwickeln wir in vivo-Imaging Systeme, über die eine Progression der Pilzinfektion im individuellen lebenden Versuchstier in zeitlicher und räumlicher Auflösung verfolgt werden kann. Dies ermöglicht es, die Wirksamkeit von Antimykotika in vivo zu studieren und kryptische Infektionsnischen aufzuspüren, die über histologische Analysen leicht übersehen werden können.

Letztendlich untersuchen wir am Beispiel von Aspergillus terreus den Einfluss von Sekundärmetaboliten auf Pathogenese und Anpassung an die Umwelt. Ausgewählte Metabolite werden hierbei auf ihre biologische Aktivität überprüft, um einen Zusammenhang zwischen Bildung eines Naturstoffs und Umweltbedingungen zu definieren.

Leitung

Themenfelder

Kohlen- und Stickstoff-Metabolismus

Die Erkennung, Aufnahme und Verwertung von Nahrungsquellen ist für alle Lebewesen eine zwingende Existenzvoraussetzung. Daher müssen pathogene Mikroorganismen nicht nur in der Lage sein, Angriffe des Immunsystems abzuwehren, sondern auch die Nährstoffe aus der Wirtsumgebung zu nutzen.

In unseren Arbeiten studieren wir daher die Stoffwechselphysiologie pathogener Pilze, um die spezifische Bedeutung kataboler und anaboler Stoffwechselwege im Infektionsprozess zu definieren. Beispiele hierfür sind der Abbau von Propionyl-CoA-erzeugenden Nährstoffquellen, die Bedeutung des Glyoxylatzyklus in der Virulenz oder die de novo Synthese der Aminosäure Lysin. Da essentielle Stoffwechselwege geeignete Ziele für neue antifungale Substanzen darstellen, werden diese Untersuchungen zwar initial nur an einer ausgewählten Pilzspezies durchgeführt, nachfolgend aber auf andere Spezies übertragen. Bei diesen Vergleichen ergibt sich häufig, dass verschiedene Spezies unterschiedliche Lösungswege für ein bestimmtes metabolisches Problem entwickelt haben.

Schlüssel-Intermediate metabolischer Stoffwechselwege
Schlüssel-Intermediate metabolischer Stoffwechselwege
In vivo-Visualisierung von Pilzinfektionen

Zur Untersuchung der Virulenz, Bedeutung einzelner Immunkomponenten, sowie Studien zur Wirksamkeit antifungaler Substanzen werden häufig murine Infektionsmodelle herangezogen. In konventionellen Studien, in denen zu definierten Zeitpunkten einzelne Tiere dem Versuch entnommen werden, wird in der Regel nur ein Schnappschuss des Infektionsverlaufs sichtbar. Durch in vivo Imaging kann hingegen in individuellen Tieren die Etablierung und Progression einer Infektion über ein nicht-invasives Verfahren in zeitlicher und räumlicher Auflösung verfolgt werden. Hierdurch können bisher unerkannte Infektions-Reservoirs genauso sichtbar gemacht, wie auch die Wirksamkeit einer antifungalen Therapie in verschiedenen Organen in Echtzeit verfolgt werden.

Da insbesondere Lumineszenzsysteme ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei in vivo-Untersuchungen aufweisen, etablieren wir Reporterstämme verschiedener Pilzspezies mit einer besonders hohen Sensitivität im Biolumineszenz-Imaging. Hierfür werden die Reportergene synthetisch auf die Zielorganismen angepasst, unter die Kontrolle starker Promotoren gestellt und die resultierenden Stämme auf ihre Lichtemission überprüft. Zurzeit arbeiten wir insbesondere an der Herstellung biolumineszierender Aspergillen, Candida Spezies und Kryptokokken.

Visualisierung der Persistenz von Candida albicans in der Gallenblase.
Visualisierung der Persistenz von Candida albicans in der Gallenblase. A.) In vivo Imaging. B.) Ex vivo Imaging. C.) Räumliche 3D-Rekonstruktion des Ursprungs des Signals aus A.
Interaktion mit Immunzellen

Insbesondere Zellen des angeborenen Immunsystems sind maßgeblich an der Erkennung, Kontrolle und Beseitigung pilzlicher Pathogene beteiligt. Daher sind Patienten mit abgeschwächtem Immunsystem besonders stark für lebensbedrohliche Pilzinfektionen anfällig. Die Bedeutung der einzelnen Komponenten des Immunsystems in der erfolgreichen Abwehr von Pilzinfektionen ist jedoch in vielen Bereichen noch nicht vollständig verstanden. Weiterhin kann die Bedeutung einzelner Immunzellen von Spezies zu Spezies unterschiedlich sein. Zusätzlich haben verschiedene Pilze unterschiedliche Strategien entwickelt, um den Angriffen des Immunsystems zu entkommen.

Wir fokussieren unsere Arbeiten insbesondere auf die Unterschiede der Immunzell-Interaktion von Aspergillus fumigatus und Aspergillus terreus. Hier konnten wir zeigen, dass die Interaktion mit Alveolarmakrophagen -die eine erste Abwehrlinie gegenüber Pilzsporen bilden- bei beiden Spezies unterschiedlich verläuft. A. fumigatus unterdrückt die Ansäuerung von Phagolysosomen und entkommt den Makrophagen durch rasche Bildung von Filamenten. A. terreus verhindert diese Ansäuerung nicht, kann jedoch über mehrere Tage und Wochen in den Phagolysosomen persistieren. Dieser Unterschied beruht insbesondere auf einer unterschiedlichen Zusammensetzung der Sporenpigmente der beiden Spezies. Da A. terreus Infektionen häufig in einer besonders schwer zu therapierenden disseminierten Form auftreten, untersuchen wir derzeit die Fähigkeit von A. terreus, bestimmte Immunzellen als Vehikel im Wirtsorganismus zu nutzen.

Ausbruch von Aspergillus fumigatus aus Makrophagen
Ausbruch von Aspergillus fumigatus aus Makrophagen
Sekundärmetabolite von A. terreus

Aspergillus terreus ist insbesondere durch die Bildung des Primärmetaboliten Itaconsäure sowie des Sekundärmetaboliten Lovastatin bekannt. Itaconsäure ist für zahlreiche chemische Prozesse ein interessantes Intermediat; Lovastatin wird zur Therapie hoher Cholesterinspiegel eingesetzt, da es die HMG-CoA Reduktase hemmt. Genomsequenzierungen haben gezeigt, dass A. terreus ein deutlich höheres Potential zur Bildung von Naturstoffen besitzt, als bisher über Extraktion und Identifikation von Metaboliten experimentell nachgewiesen werden konnte.

Wir versuchen daher in unseren Studien einzelne Gencluster aus A. terreus zu aktivieren. Ziel ist es, neue Metabolite zu identifizieren und deren biologische Aktivität zu bestimmen. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei jedoch auch auf den natürlichen Umweltbedingungen, die zu der Produktion einzelner Metabolite führen. So ist eines der Ziele, den biologischen Aktivitäten und der Produktion einzelner Substanzen den induzierenden Bedingungen im natürlichen Lebensraum zuzuordnen. Hierfür werden Cluster-spezifische Reporterstämme generiert, um die Induktion eines Genclusters unter ausgewählten Bedingungen verfolgen zu können. So konnten wir kürzlich einen Zusammenhang zwischen der Produktion des Naturstoffs Terrein und der Interaktion mit Pflanzen herstellen. Terrein wird in großen Mengen insbesondere in Medien produziert, die auf pflanzlichen Bestandteilen basieren. Terrein selbst kann die Oberfläche von Früchten schädigen und die Keimung von Pflanzensamen unterdrücken. Daher scheint die Produktion von Terrein eine Anpassung an den Lebensraum in der Rhizosphäre darzustellen. Eine weiterführende Charakterisierung hierzu und anderer Metabolite sind zurzeit in Untersuchung.

Terrein-induzierte Läsionen auf der Oberfläche einer Banane
Terrein-induzierte Läsionen auf der Oberfläche einer Banane

Publikationen

2015

Brock M (2015) Bringing light into the dark site of infection. Cytometry Part A [Epub ahead of print] (Review) Details PubMed

Gressler M, Hortschansky P, Geib E, Brock M (2015) A new high-performance heterologous fungal expression system based on regulatory elements from the Aspergillus terreus terrein gene cluster. Front Microbiol 6, 184. Details PubMed

Gressler M, Meyer F, Heine D, Hortschansky P, Hertweck C, Brock M (2015) Phytotoxin production in Aspergillus terreus is regulated by independent environmental signals. eLife 4, e07861. Details PubMed Open Access PDF

2014

Brunke S, Seider K, Richter ME, Bremer-Streck S, Ramachandra S, Kiehntopf M, Brock M, Hube B (2014) Histidine degradation via an aminotransferase increases the nutritional flexibility of Candida glabrata. Eukaryot Cell 13(6), 758-765. Details PubMed

Jacobsen ID, Lüttich A, Kurzai O, Hube B, Brock M (2014) In vivo imaging of disseminated murine Candida albicans infection reveals unexpected host sites of fungal persistence during antifungal therapy. J Antimicrob Chemother 69(10), 2785-2796. Details PubMed

Otzen C, Bardl B, Jacobsen ID, Nett M, Brock M (2014) Candida albicans utilizes a modified β-oxidation pathway for the degradation of toxic propionyl-CoA. J Biol Chem 289(12), 8151-8169. Details PubMed

Papon N, Courdavault V, Lanoue A, Clastre M, Brock M (2014) Illuminating Fungal Infections with Bioluminescence PLOS Pathog. 10(7), e1004179. (Review) Details PubMed

Ramachandra S, Linde J, Brock M, Guthke R, Hube B, Brunke S (2014) Regulatory networks controlling nitrogen sensing and uptake in Candida albicans. PLOS One 9(3), e92734. Details PubMed Open Access

Zaehle C, Gressler M, Shelest E, Geib E, Hertweck C, Brock M (2014) Terrein Biosynthesis in Aspergillus terreus and Its Impact on Phytotoxicity. Chem Biol 21(6), 719-731. Details PubMed

2013

Fazius F, Zaehle C, Brock M (2013) Lysine biosynthesis in microbes: relevance as drug target and prospects for β-lactam antibiotics production. Appl Microbiol Biotechnol 97(9), 3763-3772. Details PubMed

Galiger C, Brock M, Jouvion G, Savers A, Parlato M, Ibrahim-Granet O (2013) Assessment of efficacy of antifungals against Aspergillus fumigatus: value of real-time bioluminescence imaging. Antimicrob Agents Chemother 57(7), 3046-3059. Details PubMed

Otzen C, Müller S, Jacobsen ID, Brock M (2013) Phylogenetic and phenotypic characterisation of the 3-ketoacyl-CoA thiolase gene family from the opportunistic human pathogenic fungus Candida albicans. FEMS Yeast Res 13(6), 553-564. Details PubMed

vorher

Brock M (2012) Application of bioluminescence imaging for in vivo monitoring of fungal infections. Int J Microbiol 2012, 956794-956794. Details PubMed

Citiulo F, Jacobsen ID, Miramón P, Schild L, Brunke S, Zipfel PF, Brock M, Hube B, Wilson D (2012) Candida albicans scavenges host zinc via Pra1 during endothelial invasion. PLOS Pathog 8(6), e1002777. Details PubMed Open Access

Fazius F, Shelest E, Gebhardt P, Brock M (2012) The fungal α-aminoadipate pathway for lysine biosynthesis requires two enzymes of the aconitase family for the isomerization of homocitrate to homoisocitrate. Mol Microbiol 86(6), 1508-1530. Details PubMed

Fekkar A, Pionneau C, Brossas JY, Marinach-Patrice C, Snounou G, Brock M, Ibrahim-Granet O, Mazier D (2012) DIGE enables the detection of a putative serum biomarker of fungal origin in a mouse model of invasive aspergillosis. J Proteomics 75(9), 2536-2549. Details PubMed

Jouvion G, Brock M, Droin-Bergère S, Ibrahim-Granet O (2012) Duality of liver and kidney lesions after systemic infection of immunosuppressed and immunocompetent mice with Aspergillus fumigatus. Virulence 3(1), 43-50. Details PubMed

Linde J, Hortschansky P, Fazius E, Brakhage AA, Guthke R, Haas H (2012) Regulatory interactions for iron homeostasis in Aspergillus fumigatus inferred by a Systems Biology approach. BMC Syst Biol 6, 6. Details PubMed

Slesiona S, Gressler M, Mihlan M, Zaehle C, Schaller M, Barz D, Hube B, Jacobsen ID, Brock M (2012) Persistence versus escape: Aspergillus terreus and Aspergillus fumigatus employ different strategies during interactions with macrophages. PLOS One 7(2), e31223-e31223. Details PubMed

Slesiona S, Ibrahim-Granet O, Olias P, Brock M, Jacobsen ID (2012) Murine infection models for Aspergillus terreus pulmonary aspergillosis reveal long-term persistence of conidia and liver degeneration. J Infect Dis 205(8), 1268-1277. Details PubMed

Brock M (2011) Weiterentwicklung des Hühnerei-Infektionsmodells und neue Biolumineszenz-Detektionssysteme liefern genauere Aussagen bei Pilzinfektionen und antifungalen Therapien SIEMENS Forum Aktuell (4), 11-11. Details

Cruz AH, Brock M, Zambuzzi-Carvalho PF, Santos-Silva LK, Troian RF, Góes AM, Soares CM, Pereira M (2011) Phosphorylation is the major mechanism regulating isocitrate lyase activity in Paracoccidioides brasiliensis yeast cells. FEBS J 278(13), 2318-2332. Details PubMed

Fleck CB, Schöbel F, Brock M (2011) Nutrient acquisition by pathogenic fungi: nutrient availability, pathway regulation, and differences in substrate utilization. Int J Med Microbiol 301(5), 400-407. Details PubMed

Gressler M, Zaehle C, Scherlach K, Hertweck C, Brock M (2011) Multifactorial induction of an orphan PKS-NRPS gene cluster in Aspergillus terreus. Chem Biol 18(2), 198-209. Details PubMed

Müller S, Fleck CB, Wilson D, Hummert C, Hube B, Brock M (2011) Gene acquisition, duplication and metabolic specification: the evolution of fungal methylisocitrate lyases. Environ Microbiol 13(6), 1534-1548. Details PubMed

Olias P, Gruber AD, Hafez HM, Lierz M, Slesiona S, Brock M, Jacobsen ID (2011) Molecular epidemiology and virulence assessment of Aspergillus fumigatus isolates from white stork chicks and their environment. Vet Microbiol 148(2-4), 348-355. Details PubMed

Rezola A, de Figueiredo LF, Brock M, Pey J, Podhorski A, Wittmann C, Schuster S, Bockmayr A, Planes FJ (2011) Exploring metabolic pathways in genome-scale networks via generating flux modes. Bioinformatics 27(4), 534-540. Details PubMed

Brunke S, Seider K, Almeida RS, Heyken A, Fleck CB, Brock M, Barz D, Rupp S, Hube B (2010) Candida glabrata tryptophan-based pigment production via the Ehrlich pathway. Mol Microbiol 76(1), 25-47. Details PubMed

Jacobsen ID, Grosse K, Slesiona S, Hube B, Berndt A, Brock M (2010) Embryonated eggs as an alternative infection model to investigate Aspergillus fumigatus virulence. Infect Immun 78(7), 2995-3006. Details PubMed

Schöbel F, Jacobsen ID, Brock M (2010) Evaluation of lysine biosynthesis as an antifungal drug target: biochemical characterization of Aspergillus fumigatus homocitrate synthase and virulence studies. Eukaryot Cell 9(6), 878-893. Details PubMed

Domin N, Wilson D, Brock M (2009) Methylcitrate cycle activation during adaptation of Fusarium solani and Fusarium verticillioides to propionyl-CoA-generating carbon sources. Microbiology 155(Pt 12), 3903-3912. Details PubMed

Ibrahim-Granet O, Dubourdeau M, Latgé JP, Ave P, Huerre M, Brakhage AA, Brock M (2008) Methylcitrate synthase from Aspergillus fumigatus is essential for manifestation of invasive aspergillosis. Cell Microbiol 10(1), 134-148. Details PubMed

Behnsen J, Narang P, Hasenberg M, Gunzer F, Bilitewski U, Klippel N, Rohde M, Brock M, Brakhage AA, Gunzer M (2007) Environmental dimensionality controls the interaction of phagocytes with the pathogenic fungi Aspergillus fumigatus and Candida albicans. PLOS Pathog 3(2), e13. Details PubMed

Gebhardt P, Dornberger K, Gollmick FA, Gräfe U, Härtl A, Görls H, Schlegel B, Hertweck C (2007) Quercinol, an anti-inflammatory chromene from the wood-rotting fungus Daedalea quercina (Oak Mazegill). Bioorg Med Chem Lett 17(9), 2558-2560. Details PubMed

Schöbel F, Ibrahim-Granet O, Avé P, Latgé JP, Brakhage AA, Brock M (2007) Aspergillus fumigatus does not require fatty acid metabolism via isocitrate lyase for development of invasive aspergillosis. Infect Immun 75(3), 1237-1244. Details PubMed

Ebel F, Schwienbacher M, Beyer J, Heesemann J, Brakhage AA, Brock M (2006) Analysis of the regulation, expression, and localisation of the isocitrate lyase from Aspergillus fumigatus, a potential target for antifungal drug development. Fungal Genet Biol 43(7), 476-489. Details PubMed

Sugareva V, Härtl A, Brock M, Hübner K, Rohde M, Heinekamp T, Brakhage AA (2006) Characterisation of the laccase-encoding gene abr2 of the dihydroxynaphthalene-like melanin gene cluster of Aspergillus fumigatus. Arch Microbiol 186(5), 345-355. Details PubMed