Forschung

Abb. 1. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von C. albcians-Hefezellen, die an eine menschliche Endothelzelle adhärieren (links), und von Hyphen und Pseudohyphen, die die Wirtszellen penetrieren (rechts).
Abb 2. Interaktion von humanen Neutrophilen mit white- und opaque-Zellen eines Switching-kompetenten C. albcians-Stammes, der GFP unter der Kontrolle eines white-spezifischen Promotors (white-Zellen erscheinen grün) und RFP unter der Kontrolle eines opaque-spezifischen Promotors (opaque-Zellen erscheinen orange) exprimiert. Die Neutrophilen (Pfeile) phagozytieren nur Zellen in der white-Phase.

Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe ist der Hefepilz Candida albicans, der in den meisten gesunden Menschen als Teil der Mikrobiota des Verdauungs- und Urogenitaltrakts vorkommt. Insbesondere in immunsupprimierten Patienten kann dieser normalerweise harmlose Kommensale aber auch zum Pathogen werden und sowohl oberflächliche Infektionen der Haut und Schleimhäute als auch lebensbedrohliche systemische Infektionen verursachen. Die Anpassung des Genexpressionsprogramms an unterschiedliche Wirtsnischen, die Aktivierung von Entwicklungsprozessen, die mit morphologischen Veränderungen einhergehen, und Genomveränderungen, die zum Erwerb neuer phänotypischer Eigenschaften führen, tragen dazu bei, dass sich C. albicans erfolgreich als Kommensale und Infektionserreger des Menschen etabliert hat. Zum Beispiel wechselt C. albicans als Reaktion auf verschiedene äußere Signale von der knospenden Hefeform zum filamentösen Wachstum, das eine Invasion ins Wirtsgewebe erleichtert (Abb. 1). Zellen, die durch genomische Veränderungen homozygot für den „mating type“-Lokus geworden sind, können außerdem von der normalen Hefeform („white“) in eine andere Zellform wechseln, die als „opaque“ bezeichnet wird. Opaque-Zellen sind weniger virulent als white-Zellen, werden aber von phagozytischen Zellen kaum erkannt und können so bestimmten Wirtsabwehrmechanismen entkommen (Abb. 2). Außerdem handelt es sich bei den opaque-Zellen um die paarungskompetente Form von C. albicans, die den Austausch genetischer Information zwischen verschiedenen Stämmen ermöglicht und so zur genetischen Diversität und zur Evolution des Pilzes durch die Kombination vorteilhafter Merkmale beiträgt. Ein Beispiel für genetische Veränderungen, die einen Selektionsvorteil bringen, sind Mutationen, die zu einer erhöhten Resistenz gegen Antimykotika führen und während der Therapie einer Pilzinfektion beobachtet werden. Sobald solche Mutation auftreten, kommt es häufig zu weiteren genomischen Veränderungen, wie Aneuploidien und Verlust der Heterozygotie, wodurch die Resistenz weiter gesteigert wird.

Ein Hauptinteresse in unserem Labor ist die transkriptionelle Regulation von Virulenz-assoziierten Genen, Entwicklungsprogrammen und Medikamentenresistenz. Wir konnten die stadienspezifische Aktivierung von Virulenzgenen von C. albicans in vivo während experimenteller Infektionen aufklären und Komponenten von Signaltransduktionswegen bestimmen, die die Morphogenese und Virulenzgenexpression steuern. Außerdem haben wir Transkriptionsfaktoren identifiziert, die die Expression von Resistenzgenen kontrollieren, und aktivierende Mutationen in diesen Regulatoren entschlüsselt, die für die Resistenz klinischer Isolate verantwortlich sind. Durch die Herstellung von Stämmen, die verschiedene Resistenzmutationen in einem ansonsten identischen genetischen Hintergrund tragen, untersuchen wir derzeit die Auswirkung verschiedener Kombinationen von Resistenzmechanismen und der damit verbunden Veränderungen in der Genexpression auf die Medikamentenresistenz und die generelle Fitness von C. albicans in vitro und in vivo. Mit Hilfe dieser Stämme erforschen wir außerdem, wie C. albicans mit möglichen negativen Effekten von Resistenzmutationen zurechtkommt, um Einblick in die Evolution des Pilzes in seinem Wirt zu erhalten.

Vor kurzem haben wir genomweite Expressionsbibliotheken von Transkriptionsfaktoren und anderen Signalproteinen hergestellt und konnten dadurch neue Regulatoren des filamentösen Wachstums und des white-opaque-Switchings identifizieren. Dadurch haben sich faszinierende Hypothesen ergeben, durch welche Bedingungen und Signale diese Entwicklungsprogramme im Wirt induziert werden, und die wir nun testen. Außerdem haben wir eine generell anwendbare Methode entickelt, um eine pilzspezifische Familie von Transkriptionsfaktoren, die Zink-Cluster-Proteine, artifiziell zu aktivieren und dadurch ihre biologische Funktion aufzuklären. Wir haben eine umfassende Sammlung von Stämmen generiert, die hyperaktive Formen dieser Transkriptionsfaktoren exprimieren, und konnten so bisher unbekannte Regulatoren der Resistenz gegen Medikamente und andere infektionsrelevante Stressbedingungen identifizieren. Über genomweite Genexpressions- und in vivo DNA-Bindungsstudien bestimmen wir nun die Zielgene dieser Transkriptionsfaktoren, um so ihre Wirkungsweise zu verstehen. Detaillierte Einblicke in die Virulenz- und Resistenzmechanismen von C. albicans sollten auch Strategien zur Entwicklung neuer antifungaler Wirkstoffe eröffnen.