Carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1) belongs to the immunoglobulin superfamily and represents a multifunctional receptor involved in various physiological processes, including cell differentiation, insulin metabolism, angiogenesis and immune cell function. CEACAM1 has the widest tissue distribution of all CEACAM-family members and is expressed on epithelial, endothelial, and hematopoietic cells. Interestingly it also serves as a receptor for human specific pathogens, like Haemophilus influenzae, Moraxella catarrhalis, Escherichia coli, Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae. N. gonorrhoeae is characterized as a highly adapted human pathogen and the engagement of different CEACAMs via its Opa proteins demonstrates a critical step in the infection process and the colonization of mucosal surfaces. This interaction initiates several cellular signalling cascades resulting in the internalization of the pathogen. In this study, we analyzed the mechanism of CEACAM1-mediated internalization of OpaCEA-expressing Neisseria gonorrhoeae in detail. CEACAM-mediated contact of the gonococci also triggers de-novo expression of CD105. We could demonstrate in vivo, that the suppression of exfoliation is based on the interaction of CD105 with the focal adhesion protein zyxin and the resulting activation of integrins. In a humanized mouse model we could show for the first time the importance of exfoliation during the colonization of the host´s mucosa and a new molecular mechanism for suppression of exfoliation by bacteria could be revealed.
Surprisingly, the neisserial engagement of CEACAM1 via its Opa proteins and the subsequent internalization of the pathogen are completely independent of the cytoplasmic domain of the receptor. By comparison of wildtype CEACAM1 and a CEACAM1 mutant lacking the cytoplasmic domain, we could demonstrate an equivalent internalization of different human pathogens. In contrast to CEACAM3-mediated internalization the uptake is only to a minor degree dependent on actin dynamics and instead requires the integrity of membrane microdomains. We demonstrated that the transmembrane domain of CEACAM1 is responsible for its association with ganglioside- and cholesterol-enriched microdomains after neisserial engagement. By applying different transmembrane chimeras of CEACAM1 and CEACAM3, we could show that the close proximity of two phenylalanine residues in the transmembrane domain of CEACAM1 is critical for membrane microdomain localization. We could further show that the internalization of N. gonorrhoeae depends on the integrity of membrane microdomains and the presence of caveolin1 resulting in a non-classical endocytotic pathway. Also a functional role for microtubules, RhoG, Rac1 and phosphoinositide-3-kinase (PI3K) could be demonstrated.
In summary, the data obtained from this study provide an advanced view on the CEACAM1-mediated internalization process of Neisseria gonorrhoeae and display a novel scenario for the successful colonization of the human mucosa by highly adapted pathogens.

CEACAM1 (carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1) ist ein multifunktioneller Rezeptor aus der Immunglobulin-Superfamilie, der eine wichtige Rolle bei vielfältigen physiologischen Prozessen, wie Tumor Suppression, Insulin Stoffwechsel, Angiogenese und Immunzell-Regulation spielt. CEACAM1 hat von allen CEACAM-Familienmitgliedern die weiteste Verteilung in unterschiedlichen Geweben und wird auf Epithelzellen, Endothelzellen und hämatopoietischen Zellen exprimiert. Interessanterweise dient es auch humanspezifischen Pathogenen, wie Haemophilus influenzae, Moraxella catarrhalis, Escherichia coli, Neisseria meningitidis und Neisseria gonorrhoeae, als Rezeptor auf Wirtszellen. Neisseria gonorrhoeae ist ein außerordentlich erfolgreiches human pathogenes Bakterium, welches durch die Expression von Opa Proteinen an verschiedene CEACAMs bindet. Diese Interaktion ist ein wichtiger Schritt im Infektionsprozess, vor allem bei der Kolonisierung von mukosalen Oberflächen. Durch die Anheftung des Bakteriums werden verschiedene Signalkaskaden initialisiert, die zur Internalisierung des Pathogens führen. Zusätzlich löst die CEACAM-vermittelte Aufnahme der Gonokokken eine de-novo Expression von CD105 aus, die in einer Suppression der Exfoliation resultiert. In der vorliegenden Arbeit konnte mit Hilfe eines lentiviralen Systems in vivo gezeigt werden, dass die Unterdrückung der Exfoliation auf der Interaktion von CD105 mit dem fokalen Adhäsionsprotein Zyxin un der daraus resultierenden Aktivierung von Integrinen beruht. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten humanisierten Mausmodell der Gonokokkeninfektion konnte erstmals die Bedeutung der Exfoliation während der Kolonisierung der Wirtsmukosa illustriert und ein molekularer Mechanismus aufgeklärt werden, der es Bakterien ermöglicht, diesen Prozess zu unterdrücken.
Überaschenderweise ist die Anheftung der Gonokokken über Opa-Proteine an CEACAM1, sowie die anschließende Internalisierung unabhängig von der zytoplasmatischen Domäne des Wirtszell-Rezeptors. Untersuchungen von wildtypischem CEACAM1 und einer CEACAM1-Mutante mit deletierter zytoplasmatischen Domäne zeigen, dass die Internalisierung unterschiedlicher human pathogener Erreger nicht beeinträchtigt ist. Die CEACAM1-vermittelte Aufnahme ist im Gegensatz zur CEACAM3-vermittelten Aufnahme von Neisseria gonorrhoeae nur in geringem Maße abhängig vom Aktinzytoskelett, benötigt aber im Gegenzug die Integrität von Membran-Mikrodomänen. Hier konnte gezeigt werden, dass die Rekrutierung von CEACAM1 in Gangliosid- und Cholesterin-reiche Membran Mikrodomänen nach Bindung der Gonokokken durch die Transmembrandomäne vermittelt wird. Untersuchungen mit unterschiedlichen Chimären der Transmembrandomänen von CEACAM1 und CEACAM3 ergaben, dass die räumliche Nähe zweier Phenyalanin Reste zueinander für die Lokalization in den Mikrodomänen verantwortlich ist. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die nicht klassische Endozytose von N. gonorrhoeae zum einen von der Integrität der Membran Mikrodomänen und zum anderen von Caveolin1 abhängig ist. Außerdem konnte eine funktionelle Rolle für Mikrotubuli, RhoG, Rac1 und der Phosphoinositol-3-Kinase in dem CEACAM1-abhängigen Aufnahmeprozess demonstriert werden.
Insgesamt bietet die vorliegende Arbeit einen tieferen Einblick in die CEACAM1-vemittelte Internalisierung von Neisseria gonorrhoeae und stellt ein neues Szenario für die erfolgreiche Kolonisierung der humanen Schleimhaut durch gut angepasste Pathogene vor.