HIF-1 in intestinal innate immune and barrier functions in context of infections with Salmonella Typhimurium

• HIF-1 im Zusammenhang mit angeborenen Immun- und Barrierefunktionen des Darms im Kontext von Infektionen mit Salmonella Typhimurium

Robrahn, Laura Marie; van Dongen, Joost Thomas (Thesis advisor); Cramer, Thorsten (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Der Hypoxie-induzierte Faktor (HIF)-1 fungiert als Regulator der zellulären Antwort auf Sauerstoffmangel und beeinflusst die Antwort des angeborenen Immunsystems auf verschiedene pathogene Mikroorganismen. Der heterodimere Transkriptionsfaktor besteht aus einer β- und einer α-Untereinheit, die α-Untereinheit wird durch Hypoxie und verschiedene pathogene Mikroorganismen stabilisiert, was die Bildung des HIF-1-Transkriptionsfaktorkomplexes ermöglicht. Die Aktivierung von HIF-1 hat Auswirkungen auf die den zellulären Stoffwechsel und Immunfunktionen. Es wurde weiterhin gezeigt, dass HIF-1 inflammatorische Funktionen von Phagozyten und Epithel- und Endothelzellen, als Antwort auf bakterielle Eindringlinge, maßgeblich beeinflusst. Darüber hinaus wurde berichtet, dass HIF-1 einen Einfluss auf entzündliche Prozesse des Dickdarms, wie z. B. Kolitis und Kolitis-assoziierte Krebserkrankungen, hat; jedoch mit teils widersprüchlichen Ergebnissen zu seiner anti- oder pro-inflammatorischen Funktion in diesem Kontext. Eindeutig beeinflusst HIF-1 dagegen die intestinale Barriere, u.a. durch seinen Einfluss auf die epitheliale Entwicklung durch Zellteilung und Zelldifferenzierung, auf die Integrität der tight junctions, auf die Mucus-Komposition, sowie auf wechselseitige Mikrobiota-Interaktionen. Es wurde außerdem gezeigt, dass der HIF-1α-knockout im murinen Darmepithel die Mäuse empfänglicher für eine Yersinia enterocolitica Infektion macht, während sich Mäuse weniger anfällig für Clostridium difficile Toxin-induzierte Kolitis erwiesen, wenn HIF-1α stabilisiert wurde. Ich wollte daher die funktionelle Relevanz von HIF-1 in Infektionen mit einem der weltweit wichtigsten lebensmittelbedingten, gastrointestinalen Krankheitserreger, Salmonella Typhimurium, betrachten. In silico-Analysen veröffentlichter Transkriptom-Daten von Salmonella-infizierten Wildtyp-Mäusen zeigten eine signifikant erhöhte Aktivität des HIF-1-Transkriptionsfaktors, sowie eine signifikant erhöhte Transkription von Zielgenen, nach einer viertägigen Salmonella-Infektion. Dies konnte wiederum mit einer erhöhten, nicht-kanonischen HIF-1-Aktivierung in Verbindung gebracht werden konnte. Überraschenderweise veränderte die Deletion von Hif1a in intestinalen Epithelzellen weder den Krankheitsverlauf noch die systemische Infektion in einem murinen gastrointestinalen Salmonella-Infektionsmodell, was mit Hilfe einer zweiten, induzierbaren Hif1a-Knockout-Mauslinie, die ebenfalls einen Verlust der Genaktivität in intestinalen Epithelzellen trug, weiter bestätigt werden konnte. Die in dieser Arbeit gewonnenen Daten unterstützten zudem keine HIF-2-abhängigen Kompensationsmechanismen, die diesen Phänotyp erklären könnten. Überraschenderweise verringerte der Myeloidzell-spezifische Hif1a-knockout die systemische Bakterienzahl. Die mRNA-Expression des pro-inflammatorischen Chemokins CXCL2 (Chemokine (C-X-C motif) ligand 2) im Darmepithel von Knockout Mäusen nach der Infektion hingegen war erhöht. Dies spiegelt einen möglicherweise entzündungskontrollierenden Einfluss des myeloischen HIF-1 bei Darminfektionen wider. Da HIF-1 die intrazellulären, bakteriziden Funktionen von Phagozyten beeinflusst, wurden intrazelluläre "killing assays" mit Makrophagen aus dem Knochenmark von Wildtyp-Wurfgeschwistern und Mäusen mit myeloischem Hif1a-Knockout durchgeführt. Auch hier schien der Hif1a-Knockout für die intrazelluläre Abtötung von Salmonella entbehrlich zu sein, jedoch nicht für Escherichia coli. Salmonella ist in der Lage in Makrophagen zu überleben, und zwar durch die Expression eines sicheren intrazellulären Kompartiments, dessen Aufbau durch das SPI-2 T3SS (Salmonella Pathogenitätsinsel 2 Typ III Sekretionssystem) ermöglicht wird. Das intrazelluläre Überleben von Salmonellen in Makrophagen, die für dieses SPI-2 T3SS defizient sind, war jedoch vergleichbar mit dem Wildtyp-Stamm. Eine Erhöhung der Laktat-Dehydrogenase-Konzentration im Medium Salmonella-infizierter Makrophagen sprach jedoch eher für einen Salmonella-vermittelten Zelltod. Systemische, lebensbedrohliche Infektionen mit Salmonella Typhimurium treten häufiger bei Säuglingen und Neugeborenen auf, während über den Darm von Neugeborenen im Vergleich zum Darm von Erwachsenen relativ wenig bekannt ist. Der Einfluss von HIF-1 in diesem Zusammenhang wurde mit Hilfe eines murinen, neonaten Salmonella-Infektionsmodells adressiert. Es zeigte sich eine deutliche HIF-1-Stabilisierung sowie Veränderungen der HIF-1-Zielgenexpression durch die Infektion, während sich wiederum der Hif1a-Knockout als entbehrlich für Verlauf und systemische Ausbreitung der Salmonella-Infektion in neugeborenen Mäusen erwies. Die hier gewonnenen Ergebnisse zeigten eine eindeutige Zunahme der HIF-1-Aktivität als Antwort auf die Salmonella-Infektion und unterstützten mögliche Veränderungen in der Mucus-Zusammensetzung und weiterer Barrierefunktionen durch den epithelialen Hif1a-Verlust. Zusammenfassend implizieren die hier gezeigten Ergebnisse, dass HIF-1 bei anderen gastrointestinalen Infektionen mit Enterobacteriacea in allen Altersgruppen einen signifikanten Einfluss haben könnte; jedoch scheint das gut angepasste Pathogen, Salmonella Typhimurium, die HIF-1-abhängigen Immunfunktionen zu umgehen. Während die Salmonella-Virulenzmechanismen, welche für das Umgehen der HIF-1-abhängingen Immunantwort verantwortlich sind, nicht eindeutig festgestellt werden konnten, könnte sich die pharmakologische oder genetische Stabilisierung von HIF-1α dennoch als vorteilhaft für die Behandlung systemischer und/oder gastrointestinaler Salmonella-Infektionen erweisen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Molekulare Botanik [161110]