TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Lehrstuhl für Biofunktionalität der Lebensmittel Bacterial strain specificity of Enterococcus faecalis interaction with intestinal epithelial cells in chronic intestinal inflammation Micha Hoffmann Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigten Dissertation. Vorsitzende: Univ.-Prof. Dr. H. Daniel Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. D. Haller 2. Univ.-Prof. Dr. R. F. Vogel Die Dissertation wurde am 21.09.2009 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Ernährung, Landnutzung und Umwelt am 11.12.2009 angenommen. Meinen Eltern ii Acknowledgement Zum Gelingen meiner Dissertation haben viele Leute beigetragen, bei denen ich mich an dieser Stelle ganz herzlich bedanken möchte: Allen voran bei Prof. Dirk Haller für die immer offene Tür für Diskussionen, für die sehr gute wissenschaftliche Betreuung der Arbeit, für die exzellente Laborausstattung und finanzielle Unterstützung. Bei Prof. Rudi Vogel, für die Übernahme des Koreferats, für die freundliche Zusammenarbeit und die Nutzung der Laborausstattung für die Virulenzgen-Bestimmung sowie die FPLC. Bei Prof. Hannelore Daniel für die Übernahme des Vorsitzes in der Prüfungskommission, für die Nutzung der Laboreinrichtungen, vor allem des MALDI-TOF Massenspektrometers und für das entgegengebrachte Vertrauen. Bei Prof. Balfour Sartor für das Ermöglichen der Arbeit mit den keimfreien Mäusen in North Carolina und für die lehrreichen Vorträge auf Konferenzen und am Institut. Bei Prof. Gerald Tannock für das Ermöglichen der Studien mit den RLF Mäusen in Neuseeland und die gute Zusammenarbeit. Bei meinen Freunden und Mitarbeitern Anna Shkoda, Pedro Ruiz, Eva Köstler, Eva Rath, Thomas Clavel, Anja Messlik, Tanja Werner, Gabi Hörmannsperger, Katharina Rank, Marie- Anne von Schillde, Natalie Steck, Emanuel Berger, Katharina Heller, Sigrid Kisling, Ingrid Schmöller, Susan Chang, Anna Zhenchuk, Pia Baur, Job Mapesa, Stefan Wagner, Silvia Pitariu, Nico Gebhardt, Benjamin Tiemann, Theresa Asen, Theresa Habermann, Sonja Böhm und Brita Sturm, sowie bei allen anderen Mitarbeitern am Institut für die Hilfe und Unterstützung bei Problemen aller Art und für die fröhlichen Kaffee-Pausen und gemeinsamen Abende. Bei meinen Praktikantinnen und Master Studentinnen Gabi, Solveig, Eva, Natalie und Tina für Ihre Leistungen und wertvollen Beiträge zu dieser Arbeit. Bei Carrie und Peter für die herzliche Zusammenarbeit, und die fröhlichen Abende zusammen. Bei Georg Lutterschmid für die Einführung in die FPLC. Bei den Mitarbeiter in Neuseeland - Jens, Diane, Karen, Marco, Magen, Chris, Clarissa und Salina – und in North Carolina – Sandy, Lisa, Thomas, Frank und James und bei alle anderen die mir halfen diese Auslandsreisen zu unvergesslichen Erlebnissen werden zu lassen. Ganz besonders möchte ich mich bei Frank & Christine, sowie Thomas bedanken für die Wochen in denen ich bei Euch wohnen durfte und mich zu Hause gefühlt habe. Bei Lise Baller für Ihre treue Arbeit in der Spülküche. Bei Gernot und Marlies Lysek für die angenehmen, guten und fröhlichen Jahre in der Heckenstaller Straße. und besonders für das Korrekturlesen. Von Herzen danke ich ganz besonders meiner Familie und meiner Frau Jelena für Ihre Unterstützung in jeglicher Hinsicht, für die Kraft die sie mir gaben und für Ihre Liebe. iii Publications: 1. Ruiz PA, Hoffmann M, Szcesny S, Blaut M, Haller D. Innate mechanisms for Bifidobacterium lactis to activate transient pro-inflammatory host responses in intestinal epithelial cells after the colonization of germ-free rats. Immunology 2005; 115, 441. 2. Hoffmann M*, Rath E*, Holzlwimmer G, Quintanilla-Martinez L, Loach D, Tannock G, Haller D. Lactobacillus reuteri 100-23 transiently activates intestinal epithelial cells of mice that have a complex microbiota during early stages of colonization. J Nutr 2008; 138, 1684. * shared first authorship 3. Hoffmann M, Kim SC, Sartor RB, Haller D. Enterococcus faecalis Strains Differentially Regulate Alix/AIP1 Protein Expression and ERK1/2 Activation in Intestinal Epithelial Cells in the Context of Chronic Experimental Colitis. J Proteome Res 2009; 8, 1183. 4. Hormannsperger G, Clavel T, Hoffmann M, Reiff C, Kelly D, Loh G, Blaut M, Holzlwimmer G, Laschinger M, Haller D. Post-translational inhibition of IP-10 secretion in IEC by probiotic bacteria: impact on chronic inflammation. PLoS ONE 2009; 4, e4365. Published Abstracts: Hoffmann M*, Steck N*, Kim SC, Sartor RB, Haller D. Enterococcus faecalis metalloproteinase contributes to the development of chronic intestinal inflammation through impairment of epithelial barrier integrity, Int J Med Microbiol 2008; 45(298): p. 96 * shared first authorship iv Poster Presentations: 1. Hoffmann M, Ruiz PA, Szcesny S, Blaut M, and Haller D. Innate mechanism for Bifidobacterium lactis to activate pro-inflammatory host responses in intestinal epithelial cells after the colonization of germfree rats with probiotic bacteria. Inflammatory Bowel Disease: Research Drives Clinics, Münster, Germany, 2-3. September 2005. 2. Hoffmann M, Ruiz PA, Szcesny S, Blaut M, and Haller D. Innate mechanism for Bifidobacterium lactis to activate pro-inflammatory host responses in intestinal epithelial cells after the colonization of germfree rats with probiotic bacteria. Innate immunity and its modulation in Inflammatory Bowel Disease, Stuttgart, Germany, 4-5. November 2005. 3. Hoffmann M, Kim SC, Sartor BR, and Haller D. Functional epithelial cell proteomics identified Alix/Alg2-Interacting Protein 1 as a target for Enterococcus faecalis strain-specific effects on chronic intestinal inflammation in IL-10 deficient mice. 5th meeting of the European Mucosal Immunology Group, Prague, Czech Republic, 5-7. October 2006. 4. Hoffmann M, Kim SC, Sartor BR, and Haller D. Functional epithelial cell proteomics identified Alix/Alg2-Interacting Protein 1 as a target for Enterococcus faecalis strain-specific effects on chronic intestinal inflammation in IL-10 deficient mice. Fourth International Symposium of the Austrian Proteomics Platform; Seefeld, Austria, 28-31. January 2007. 5. Hoffmann M, Kim SC, Sartor BR, and Haller D. Functional epithelial cell proteomics identified Alix/Alg2-Interacting Protein 1 as a target for Enterococcus faecalis strain-specific effects on chronic intestinal inflammation in IL-10 deficient mice. 44. Wissenschaftlicher Kongress der Deutschen Gesellschaft für Ernährung, Halle-Wittenberg, 8-9. March 2007. v 6. Hoffmann M, Hew CM, Kim SC, Vogel RF, Sartor RB and Haller D. Enterococcus faecalis metalloproteinase contributes to the development of chronic intestinal inflammation in IL-10 deficient mice. 13th International Congress of Mucosal Immunology, Tokyo, Japan, 9-12. July 2007. 7. Hoffmann M, Steck N, Hew CM, Kim SC, Vogel RF, Sartor RB and Haller D. Enterococcus faecalis metalloproteinase contributes to the development of chronic intestinal inflammation through impairment of epithelial barrier integrity. 45. Wissenschaftlicher Kongress der Deutschen Gesellschaft für Ernährung, Bonn, Germany, 13-14. March 2008. 8. Hoffmann M, Steck N, Hew CM, Kim SC, Vogel RF, Sartor RB and Haller D. Enterococcus faecalis metalloproteinase contributes to the development of chronic intestinal inflammation through impairment of epithelial barrier integrity. 60. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Hygiene und Mikrobiologie, Dresden, Germany, 21-24. September 2008. Oral Presentation Hoffmann M, Shkoda A, Kim SC, Sartor BR, and Haller D. Untersuchung stammspezifischer Effekte von Enterococcus faecalis auf intestinale Epithelzellen im IL-10-/- Mausmodell für chronisch entzündliche Darmerkrankungen. 43. Wissenschaftlicher Kongress der Deutschen Gesellschaft für Ernährung, Hohenheim, Germany, 9-10. March 2006. Hoffmann M, Rath E, Holzlwimmer G, Quintanilla-Martinez L, Loach D, Tannock G, Haller D. Lactobacillus reuteri 100-23 transiently activates intestinal epithelial cells of mice that have a complex microbiota during early stages of colonization. 61. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Hygiene und Mikrobiologie, Goettingen, Germany 20-23. September 2009. vi Grants Research fellowship of the German Academic Exchange Service (DAAD), Dunedin, New Zealand, April 2005 Travel Grant from Symbio Pharm GmbH for the 13th International Congress of Mucosal Immunology, Tokyo, Japan, 9-12. July, 2007. vii Content: List of Abbreviations...............................................................................................xi Summary .................................................................................................................14 Zusammenfassung.................................................................................................16 1. Introduction.....................................................................................................18 1.1. Enterococci ............................................................................................................................ 18 1.1.1. Reservoirs and characteristics of enterococci .................................................................. 18 1.1.2. Enterococci in food ........................................................................................................... 19 1.1.3. Enterococci as a part of the intestinal microbiota ............................................................