Primary and secondary membrane damage by small β-barrel pore forming toxins and their implications for membrane repair

Abstract

Bacterial Pore-forming toxins (PFTs) disturb cellular homeostasis by permeabilizing the plasma membranes of target cells. However, target cells may repair those lesions. Counterintuitively, membrane repair is comparably fast and efficient for large pores, e.g. formed by cholesterol dependent cytolysins (CDC) like streptolysin O (ca. 30 nm inner diameter), whereas it is slow for smaller pores, like those formed by S. aureus α-toxin (ca. 1.2 nm). The reasons are unclear. The first part of this thesis describes the comparison of a new small β-PFT, namely Phobalysin P (PhlyP) of Photobacterium damselae subsp. damselae with orthologous Vibrio cholerae cytolysin. The data support the conclusion that not the affiliation of a PFT with a certain structural family, but sufficient flux of calcium ions through pores determines the capacity to trigger rapid repair. The second part of the work deals with the question how secondary effects might account for concentration dependent, apparent increases of pore size in the case of S. aureus alpha-toxin. Not activation of gasdermin D (GSDMD), or Mixed lineage kinase domain like pseudokinase (MLKL), which were recently found to form large pores from the cytosolic side, seem not to be involved, but swelling-induced rupture.

Bakterielle Porenbildner (pore-forming toxins (PFTs)) stören die zelluläre Homöostase in Zielzellen, doch diese können Membranläsionen auch reparieren. Membranreparatur ist vergleichsweise schnell und effizient im Falle großer Poren, z.B. solcher, die von cholesterol dependent cytolysins (CDC) wie Streptolysin O (ca. 30 nm innerer Durchmesser) gebildet werden; der Prozess ist dagegen langsam bei kleinen Poren, wie solchen, die z.B. S. aureus α-toxin (ca. 1.2 nm) bildet. Der Grund für die unerwartete Diskrepanz ist unklar. Im ersten Teil der Dissertation wird ein neues small β-PFT, nämlich Phobalysin P (PhlyP) von Photobacterium damselae subsp. damselae mit dem orthologen Vibrio cholerae cytolysin verglichen. Die Daten stützen den Schluss, dass nicht die Zugehörigkeit eines PFT zu einer bestimmten strukturellen Familie von PFT, sondern ausreichender Flux von Kalzium Ionen durch die Poren entscheidend für schnelle Reparatur ist. Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Frage, ob/wie Sekundäreffekte für die konzentrationsabhängige Bildung scheinbar unterschiedlich großer S. aureus alpha-Toxinporen verantwortlich sein könnten. Nicht gasdermin D (GSDMD), oder Mixed lineage kinase domain like pseudokinase (MLKL), kürzlich entdeckte endogene, zelluläre Porenbildner, sondern Membranrupturen scheinen für das Phänomen verantwortlich zu sein.