Development of a DNA delivery system using virulence-attenuated Listeria strains

Virulenz-attenuierte Bakterien sind geeignete Vektoren für den Transport von Vakzine-DNA in das Zytosol von Antigen-präsentierenden Zellen ("DNA delivery"). In dieser Arbeit wurde dazu das intrazelluläre Bakterium Listeria monocytogenes verwendet, welches sich im Zytosol von Zellen vermehrt und fortbewegt. Ausgestattet mit einer intrazellulären Lysis-Kassette kann Listeria in vitro effektiv Plasmid-DNA in das Zytosol verschiedener Zelltypen freisetzen. Zur Virulenz-Attenuierung wurde das Gen iap im Chromosom des Bakteriums deletiert. Der daraus resultierte Stamm, in Folgenden als iap bezeichnet, erwies sich als hoch attenuiert im Modell der murinen Listeriose. Diese Attenuation konnte auf einen Defekt in der Beweglichkeit der Bakterien innerhalb von Wirtszellen zurückgeführt werden, da sich bei diesem Stamm das Protein ActA, das essentiell für die Aktin-basierte Motilität von L. monocytogenes ist, fehlerhaft auf der Oberfläche der Bakterien anordnet. Zusätzlich konnte demonstriert werden, dass iap in der Zellteilung beeinträchtigt ist und deshalb eine veränderte Morphologie aufweist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein so genanntes "Balanced-lethal" System etabliert. Dazu wurde das essentielle Gens trpS im Chromosom deletiert, während gleichzeitig eine trpS-Expressions-Kassette auf einem Vakzine-Plasmid inseriert wurde. Dieses System gewährleistet, dass das Trägerbakterium dieses Plasmid weder in vitro noch in vivo verliert. Dies ist besonders wichtig im Hinblick auf eine bakteriolytische Lysis-Kassette, welche ebenfalls auf diesem Plasmid kodiert ist. Es wurden verschiedene Lysis-Kassetten, die alle aus einem Listeria-spezifischen Phagenlysin und einem vorangestellten zytosolischen listeriellen Promotor zusammengesetzt waren, miteinander verglichen. Dabei wurde beobachtet, dass die für die Übertragung von Plasmid-DNA in das Zytosol von Wirtszellen wirksamste Phagenlysin-Kassette (PactA-ply118) die Bakterien in vitro nur partial abtötet, während sie in vivo zu einer besonders hohen Attenuation der Bakterien führt. Unter Verwendung dieses "DNA delivery" Systems wurden Mäuse oral mit Listerien infiziert, die ein DNA-Vakzine-Plasmid zur Expression des Leishmania Antigens KMP-11 trugen. Dabei konnte bei 27 % aller Tiere, die zweimal mit diesen Listerien infiziert worden sind, eine KMP-11 spezifische, proliferative Immunantwort gemessen werden. Listerien, die einen Defekt in ihrer Motilität besitzen (delta-iap, delta-actA), erwiesen sich darin beeinträchtigt, Plasmid-DNA im Zytosol von Zellen freizusetzen. Anhand dieser Stämme konnte gezeigt werden, dass die Fähigkeit von L. monocytogenes, sich innerhalb von Zellen zu bewegen und in benachbarte Zellen einzudringen eine wichtige Voraussetzung für einen effizienten Transfer von Plasmid-DNA in vitro darstellt.Virulence-attenuated bacteria are useful carriers to introduce a DNA vaccine into antigen presenting cells (DNA delivery). To this end, the intracellular bacterium Listeria monocytogenes was used in this work, which is able to replicate and spread inside host cells. Hence Listeriae are able to efficiently release plasmid DNA within the cytosol in vitro when they are provided with a cytosolic lysis cassette. The expression of the antigen by the cell leads to the presentation of antigenic epitopes on the cell's major histocompatibilty complex (MHC) class I molecules, due to the antigen being endogenous. This stimulates the activation of CD8+ T cells which are important for clearance of tumours, parasites and virus infected cells. In order to create a virulence-attenuated carrier strain the gene iap was deleted in the chromosome of the bacterium. The resulting strain, designated as iap, was shown to be highly attenuated in mice. This was due to a defect of the intracellular motility since ActA, a protein which is necessary for actin-based motility of Listeria, was localised incorrectly at the bacterial surface. Additionally, it was demonstrated that iap is impaired in cell division which leads to an altered cell morphology. In this work a so-called balanced-lethal plasmid system was established. The essential gene trpS was deleted from the chromosome of L. monocytogenes and a trpS transcription unit was inserted in a vaccine DNA plasmid thus ensuring that no plasmid loss happens in vitro and also within the host organism. This is in particular important in terms of a bacteriolytic lysis cassette which is also encoded by the plasmid. Different lysis cassettes were tested consisting of a Listeria-specific phage lysin and an intracellular promoter of Listeria. The cassette PactA-ply118 was found the be most effective due to its DNA delivery capacity but it mediates only a partial lysis of the intracellular bacteria. However, this cassette leads to a high attenuation of Listeria in mice. Using this DNA delivery system mice were orally infected with Listeria harbouring a KMP-11 expression plasmid. 27 % of animals infected twice exhibited a specific proliferative response to the leismanial antigen KMP-11. Listeriae with a defect in their spreading capacity (delta-iap, delta-actA) were impaired in the cytosolic release of plasmid DNA. With these strains it was demonstrated, that spreading is an important prerequisite for L. monocytogenes to be an efficient DNA delivery carrier in vitro