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ARBEITSGRUPPE:
MOLEKULARE MIKROBIOLOGIE
Leiter: Ao.Univ.Prof.
Dr. Michael Duchêne
A d r e s s e:
Kinderspitalgasse 15, A-1090 Wien
Tel: +43-1-40 490-64874
Fax.: +43-1-40 490-64899
Email:
michael.duchene@meduniwien.ac.at
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1972 - 1974
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Studium der Chemie Universität Freiburg
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1974
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Vordiplom Chemie
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1974 – 1975
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Studium Chemie, Univ. Southampton, GB
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1975 – 1978
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Chemiestudium Univ. München
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 ab
11/1976
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Doppelstudium Chemie und Medizin, Univ. München
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1978
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Diplom Chemie
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1979
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Physikum im Fach Medizin Univ. München
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1980
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Erstes Staatsexamen im Fach Medizin Univ. München
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1984
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Promotion Chemie (Dr. rer. nat.)
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1993
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Lehrbefugnis als Universitätsdozent für das Fach
„Molekulare Mikrobiologie“ Univ. Wien
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seit 1994
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a.o. Univ. Prof. Universität Wien
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Positionen:
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1984 – 1989
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Wissenschaftlicher Assistent im Laboratorium für
molekulare Biologie – Genzentrum – Univ. München
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1989 – 1994
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Vertragsassistent am Institut für Spezifische Prophylaxe
und Tropenmedizin Wien
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ab 1994
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Universitätsassistent
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Wissenschaftliche Mitarbeiter der Arbeitsgruppe:
Volker
Baumann
Mirjana
Drinic
Mag.
Dr. David Leitsch
Mag.
Julia Matt
WISSENSCHAFTLICHE PROJEKTE
Unsere Arbeitsgruppe untersucht humanpathogene Mikroorganismen
mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden. Wir beschäftigen
uns mit Grundlagenforschung aber auch anwendungsorientierter Forschung,
wobei Entamoeba histolytica unser Hauptstudienobjekt ist.
Entamoeba histolytica
E. histolytica verursacht die
Amöbendysenterie und den Amöbenleberabszess und die beste
Schätzung spricht von bis zu 50 Millionen Erkrankungen und 110.000
Todesfällen pro Jahr. In den wohlhabenden Industriestaaten ist der
Einzellerparasit nicht länger endemisch, aber er bedroht immer noch
Fernreisende. Seit schon mehr als 40 Jahren ist Metronidazol das
Chemotherapeutikum der Wahl für die Behandlung der invasiven
Amöbiasis, ohne dass sich bisher klinisch relevante Resistenzen
verbreitet hätten. Obwohl Metronidazol so grossen Erfolg hat,
verstehen wir auf der Molekülebene noch immer kaum, warum E.
histolytica nie resistent geworden ist, obwohl anderen Pathogenen wie Trichomonas
vaginalis oder Helicobacter pylori das gelungen ist. Diese
komplexen Fragestellungen haben wir in einem FWF-geförderten Projekt
in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. F. Altmann (Department
für Chemie, Universität für Bodenkultur (BOKU)) untersucht.
Innerhalb des Projekts nahmen wir auch am internationalen E. histolytica
Genomprojekt teil, wo wir einen Beitrag zum Studium von Stoffwechselwegen
leisteten. Die Verfügbarkeit der Genomdaten ermöglichte es uns
dann auch, die Wirkung von Metronidazol auf der Ebene des Proteoms zu
untersuchen. Wir konnten in E. histolytica erstmalig zeigen, dass
Cysteingruppen in wenigen ganz bestimmten Proteinen kovalent durch
aktiviertes Metronidazol modifiziert wurden. Unter den Proteinen waren
mehrere, die zum Schutz vor oxidativem Stress beitragen. Freie Thiole wie
zum Beispiel freies Cystein wurden auch vom aktivierten Metronidazol
modifiziert, und Cystein schützte Amöben vor der Wirkung von
Metronidazol. Wir konnten weiters zeigen, dass Thioredoxinreduktase, eines
der modifizierten Proteine, selbst das Metronidazol aktivieren kann. In den
kommenden Jahren wollen wir herausfinden, wie die gefundenen Modifikationen
ihre toxische Wirkung auf die Amöben entfalten, ob sich dieselben
Prozesse in anderen pathogenen Mikroorganismen wie zum Beispiel T.
vaginalis abspielen und warum T. vaginalis viel schneller als E.
histolytica resistent gegen Metronidazol wird. Obwohl Metronidazol noch
immer erfolgreich gegen E. histolytica ist, könnten in der
Zukunft doch neue Wirkstoffe gebraucht werden, deshalb haben wir neue
Substanzen getestet, wie zum Beispiel den Anti-Leishmanienwirkstoff
Miltefosin, und weitere Tests sind in einem neuen FFG-geförderten
Kooperationsprojekt zusammen mit Doz. Dr. J. Walochnik (Abteilung
für Medizinische Parasitologie) und Prof.
Dr. H. Greger (Department für Botanische Systematik und
Evolutionsforschung, Universität Wien) geplant.
Ein weiteres Langzeitprojekt sind antigene
Strukturen von E. histolytica und ihre Interaktion mit dem Menschen
als Wirt. Wir konnten zum Beispiel einen monoklonalen Antikörper gegen
ein Proteophosphoglykan-Antigen isolieren, der SCID-Mäuse passiv gegen
einen Amöbenleberabszeß schützt. Das gebundene Antigen
ähnelt in Struktur und Funktion dem CD68 Antigen (Makrosialin) von
phagozytierenden Immunzellen des menschlichen Wirts. In der Zukunft wollen
wir die Immunmodulation durch Bestandteile der Amöben noch weiter
untersuchen.
Acanthamoeba castellanii
A. castellanii Zysten sind
resistent gegen Desinfektionsmittel und Antibiotika und das erschwert die
Behandlung von Akanthamoeben-Infektionen beträchtlich. Zusätzlich
können diese Zysten lebende pathogene Bakterien wie zum Beispiel Legionella
pneumophila aufnehmen und so schützen. In einem FWF Projekt
zusammen mit Doz. Dr. J. Walochnik und Prof. Dr. Günter Allmaier
(Institut für Chemische Technologien und Analytik, Technische
Universität Wien) studieren wir die Differenzierung von Trophozoiten
zur Zyste auf der Ebene der Protein- und Genexpression.
Weitere Projekte
In einer Zusammenarbeit mit Prof. Dr. U.
Wiedermann-Schmidt und weiteren Kollegen im Institut untersuchen wir die
Prävalenz von DNA-Sequenzsubtypen von Bordetella pertussis
Stämmen, die aus Patienten isoliert worden waren. Das Ziel des vom
Jubiläumsfonds der Nationalbank geförderten Projektes ist es, die
Verteilung dieser B. pertussis Subtypen in Österreich zu
erheben. Dahinter steht die Frage, ob der Druck, der durch die
weitverbreitete Impfung ausgeübt wird, zur Selektion und Verbreitung
von neuen Bakterienstämmen führen kann.
In einem weiteren Kooperationsprojekt, das zur Zeit
von der Hochschuljubiläumsstiftung der Universität Wien
geförderet wird, untersuchen wir die Relevanz von Haushaltsmotte wie
zum Beispiel der Dörrobstmotte Plodia interpunctella als
Verursacher von Typ I Allergien. Wir konnten dabei zum Beispiel die
Argininkinase (Plo i 1) und andere häufige Mottenproteine als
Allergene identifizieren. Derzeit untersuchen wir, wie hoch die
Prävalenz von IgE-Antikörpern gegen diese Mottenproteine in
verschiedenen Patientengruppen aus verschiedenen Ländern ist, und
inwieweit sich die rekombinanten Antigene im Mausmodell wie typische
Allergene verhalten.
Ausgewählte neuere Publikationen:
1. The genome of the protist parasite Entamoeba
histolytica.
B. Loftus*, I. Anderson, R. Davies, U. C. M.
Alsmark, J. Samuelson, P. Amedeo, P. Roncaglia, M. Berriman, R. P. Hirt, B.
J. Mann, T. Nozaki, B. Suh, M. Pop, M. Duchêne, J. Ackers, E.
Tannich, M. Leippe, M. Hofer, I. Bruchhaus, U. Willhoeft, A. Bhattacharya,
T. Chillingworth, C. Churcher, Z. Hance, B. Harris, D. Harris, K. Jagels,
S. Moule, K. Mungall, D. Ormond, R. Squares, S. Whitehead, M. A. Quail, E.
Rabbinowitsch, H. Norbertczak, C. Price, Z. Wang, N. Guillén, C.
Gilchrist, S. E. Stroup, S. Bhattacharya, A. Lohia, P. G. Foster, T.
Sicheritz-Ponten, C. Weber, U. Singh, C. Mukherjee, N. M. El-Sayed, W. A.
Petri, Jr., C. G. Clark, T. M. Embley, B. Barrell, C. M. Fraser, und N.
Hall.
Nature, 433, 865-868 (2005).
2. Entamoeba
histolytica: analysis of the trophozoite proteome by two-dimensional
polyacrylamide gel electrophoresis.
D. Leitsch, C. Radauer, K. Paschinger, I. B. H.
Wilson, H. Breiteneder, O. Scheiner, und M. Duchêne*.
Journal
of Experimental Parasitology, 110, 191-195 (2005).
3. Entamoeba histolytica: construction and applications of
subgenomic databases.
M. Hofer und M. Duchêne*
Journal
of Experimental Parasitology, 110, 178-183 (2005).
4. Structure and content of the Entamoeba
histolytica genome.
C. G. Clark*, M. Hofer, U. C. M. Alsmark, Y.
Saito-Nakano, V. Ali, S. Marion, C. Weber, C. Mukherjee, I. Bruchhaus, E.
Tannich, M. Leippe, T. Sicheritz-Ponten, P. G. Foster, C. J. Noël, R.
P. Hirt, T. M. Embley, J. Samuelson, C. A. Gilchrist, B. J. Mann, U. Singh,
J. P. Ackers, S. Bhattacharya, A. Bhattacharya, A. Lohia, N.
Guillén, M. Duchêne, T. Nozaki, und N. Hall
Advances in Parasitology, 65, 51-190 (2007).
5. Nitroimidazole action in Entamoeba
histolytica: a central role for thioredoxin reductase.
D. Leitsch, D.
Kolarich, I. B. H. Wilson, F. Altmann, und M. Duchêne*
PLoS Biology, 5, e211 (2007).
6. Entamoeba histolytica : Response of the parasite to metronidazole challenge
on the levels of mRNA and protein expression.
M. Tazreiter,
D. Leitsch, E. Hatzenbichler, G. E. Mair-Scorpio, R. Steinborn, M.
Schreiber, and M. Duchêne
Experimental Parasitology , 120, 403-410 (2008).
7. Acanthamoeba strains lose their
abilities to encyst synchronously upon prolonged axenic culture.
M. Köhsler, D. Leitsch, U. Fürnkranz,
M. Duchêne, H. Aspöck, and J. Walochnik.
Parasitology
Research , 102,
1069-1072 (2008).
8. Trichomonas vaginalis : metronidazole and
other nitroimidazole drugs are reduced by the flavin enzyme thioredoxin
reductase and disrupt the cellular redox system. Implications for
nitroimidazole toxicity and resistance.
D. Leitsch, D.
Kolarich, M. Binder, J. Stadlmann, F. Altmann, and M. Duchêne
Molecular
Microbiology , 72, 518-536
(2009).
R E S E A R C
H P R O J E C T S
The
group uses molecular biological and biochemical methods to study human
pathogenic microorganisms. We carry out basic as well as applied research
with Entamoeba histolytica as the major focus.
Entamoeba
histolytica
E.
histolytica causes
amoebic dysentery and liver abscess and is responsible for up to 50 million
cases of disease and 110,000 deaths each year. In the affluent countries
the protist parasite is no longer endemic but represents a significant
threat to travellers. Metronidazole has been the gold standard for the
treatment of invasive amoebiasis for more than 40 years without the
emergence of any clinically relevant resistance. Although the drug is so
successful, there is only limited understanding of on its action on the
molecular level, and why E. histolytica has not become resistant
whereas other microorganisms such as Trichomonas vaginalis
and Helicobacter pylori have. These complex questions have been
addressed in our group in a project funded by the FWF in collaboration with
the group of Prof. Dr. F. Altmann Friedrich
Altmann (Department of Chemistry, University of Natural
Resources
and Applied Life Sciences (BOKU)). Our part in the international E.
histolytica genome project was to study metabolic pathways, and the
availability of the genome data allowed us to study metronidazole effects
on the level of the proteome. We could show for the first time that
cysteine groups in few selected proteins, among them several proteins
involved in the protection from oxidative stress, were covalently modified
by activated metronidazole. Free thiols such as cysteine were also modified
by the activated drug, and cysteine was able to protect the amoebae against
metronidazole. We could also identify thioredoxin reductase, one of the
modified proteins as a metronidazole-activating enzyme. In the coming years
we plan to study how these chemical modifications interfere with the life
of the amoebae, and if the same processes are found in other parasites such
as T. vaginalis, and why T. vaginalis develops resistance
much faster than E. histolytica. Although metronidazole remains
successful in E. histolytica, new drugs may be needed in the future,
therefore we have tested new substances such as the anti-leishmanial
miltefosine, and further tests are planned in a new collaborative
FFG-funded project together with Doz. Dr. J. Walochnik (Department of Medical Parasitology) and Prof. Dr. H. Greger (Department of Systematic and
Evolutionary Botany, University of Vienna).
The
second long term interest are antigenic structures from E. histolytica
and their interaction with the human host. For example a monoclonal
antibody against a proteophosphoglycan antigen was raised which provides
passive protection in a mouse model. The antigen appears to have
similarities in structure and function to the CD68 antigen from phagocytic
immune cells of the human host. In the future we plan to look more at
immunomodulation by amoebic factors.
Acanthamoeba
castellanii
A.
castellanii cysts
are resistant to disinfectants and antibiotics, and therefore can render
therapy of acanthamoeba infections very difficult, in addition these cysts
can shelter pathogenic bacteria such as Legionella pneumophila. In
an FWF project together with Doz. Dr. J. Walochnik and Prof. Dr.
Günter Allmaier (Institute of Chemical
Technologies and Analytics, Vienna University of Technology) we study the differentiation from trophozoite to cyst
on the levels of the proteome and gene expression.
Other
projects
In a
collaboration with Prof. Dr. U. Wiedermann-Schmidt and colleagues we
examine the prevalence of DNA sequence subtypes of Bordetella pertussis
strains isolated from pertussis patients. The aim of the project funded by the
"Jubiläumsfonds der Nationalbank" is to evaluate the
prevalence of various B. pertussis subtypes in Austria.
This is to address the question whether vaccination pressure in the
population may lead to the emergence of new strains.
In a
collaborative allergy project currently funded by the
"Hochschuljubiläumsstiftung der Universität Wien" we
investigate the relevance of household moths such as the Indianmeal moth Plodia
interpunctella as causative agents of Type I allergy. We were able to
identify arginine kinase (Plo i 1) and other abundant moth proteins as
allergens and study the moth-specific IgE in various patient groups from
different countries as well as the development of allergy in a mouse
model.
Selected recent publications:
1. The
genome of the protist parasite Entamoeba histolytica.
B.
Loftus*, I. Anderson, R. Davies, U. C. M. Alsmark, J. Samuelson, P. Amedeo,
P. Roncaglia, M. Berriman, R. P. Hirt, B. J. Mann, T. Nozaki, B. Suh, M.
Pop, M. Duchêne, J. Ackers, E. Tannich, M. Leippe, M. Hofer, I.
Bruchhaus, U. Willhoeft, A. Bhattacharya, T. Chillingworth, C. Churcher, Z.
Hance, B. Harris, D. Harris, K. Jagels, S. Moule, K. Mungall, D. Ormond, R.
Squares, S. Whitehead, M. A. Quail, E. Rabbinowitsch, H. Norbertczak, C.
Price, Z. Wang, N. Guillén, C. Gilchrist, S. E. Stroup, S.
Bhattacharya, A. Lohia, P. G. Foster, T. Sicheritz-Ponten, C. Weber, U.
Singh, C. Mukherjee, N. M. El-Sayed, W. A. Petri, Jr., C. G. Clark, T. M.
Embley, B. Barrell, C. M. Fraser, and N. Hall.
Nature, 433, 865-868 (2005).
2. Entamoeba
histolytica: analysis of the trophozoite proteome by two-dimensional
polyacrylamide gel electrophoresis.
D. Leitsch, C. Radauer, K. Paschinger, I. B. H.
Wilson, H. Breiteneder, O. Scheiner, and M. Duchêne*.
Journal
of Experimental Parasitology, 110, 191-195 (2005).
3. Entamoeba histolytica: construction and applications of
subgenomic databases.
M.
Hofer and M. Duchêne*
Journal
of Experimental Parasitology, 110, 178-183 (2005).
4. Structure and content of the Entamoeba histolytica
genome.
C. G. Clark*, M. Hofer, U. C. M. Alsmark, Y.
Saito-Nakano, V. Ali, S. Marion, C. Weber, C. Mukherjee, I. Bruchhaus, E.
Tannich, M. Leippe, T. Sicheritz-Ponten, P. G. Foster, C. J. Noël, R.
P. Hirt, T. M. Embley, J. Samuelson, C. A. Gilchrist, B. J. Mann, U. Singh,
J. P. Ackers, S. Bhattacharya, A. Bhattacharya, A. Lohia, N.
Guillén, M. Duchêne, T. Nozaki, and N. Hall
Advances in Parasitology, 65, 51-190 (2007).
5. Nitroimidazole action in Entamoeba
histolytica: a central role for thioredoxin reductase.
D. Leitsch, D.
Kolarich, I. B. H. Wilson, F. Altmann, und M. Duchêne*
PLoS Biology, 5, e211
(2007).
6. Entamoeba histolytica : Response of the parasite to metronidazole challenge
on the levels of mRNA and protein expression.
M. Tazreiter,
D. Leitsch, E. Hatzenbichler, G. E. Mair-Scorpio, R. Steinborn, M.
Schreiber, and M. Duchêne
Experimental Parasitology , 120, 403-410 (2008).
7. Acanthamoeba strains lose their
abilities to encyst synchronously upon prolonged axenic culture.
M. Köhsler, D. Leitsch, U. Fürnkranz,
M. Duchêne, H. Aspöck, and J. Walochnik.
Parasitology
Research , 102,
1069-1072 (2008).
8. Trichomonas vaginalis : metronidazole and
other nitroimidazole drugs are reduced by the flavin enzyme thioredoxin
reductase and disrupt the cellular redox system. Implications for
nitroimidazole toxicity and resistance.
D. Leitsch, D.
Kolarich, M. Binder, J. Stadlmann, F. Altmann, and M. Duchêne
Molecular
Microbiology , 72, 518-536
(2009).
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