eRapport

Molecular mechanisms of Staphylococcus aureus induced IFN-b in phagocytes and its biological implications

Prosjekt
Prosjektnummer
46056622
Ansvarlig person
Jørgen Stenvik
Institusjon
NTNU, IKM
Prosjektkategori
Forskerstipend 2012
Helsekategori
Infection
Forskningsaktivitet
1. Underpinning
Rapporter
2015 - sluttrapport
Prosjektets formål var å gi ny grunnleggende kunnskap om interaksjonen mellom gule stafylokokker (Staphylococcus aureus) og hvite blodceller som monocytter og makrofager, de responser denne interaksjonen utløser, og mulige konsekvenser av dette. Bakgrunnen for studien var vår oppdagelse av at monocytter som infiseres av bakterien produserer cytokinet interferon-beta (IFN-b). Dette er et cytokin som tradisjonelt er knyttet til virusinfeksjoner, men som også kan ha viktige immunregulerende funksjoner ved bakterieinfeksjoner. Den eksisterende kunnskapen om bakterie/vert-interaksjonen var utilstrekkelig til å forklare hvordan gule stafylokokker induserte IFN-b produksjon. Prosjektet har avdekket at humane monocytter og makrofager gjenkjenner bakteriens ribonukleinsyre (RNA) via en spesifikk sensor (Toll-liknende reseptor 8, TLR8) som aktiverer cellene til produksjon av ulike cytokiner, inkludert IFN-b. Funksjonen av TLR8 har vært lite kjent ettersom den er dysfunksjonell i klassiske forsøksdyr som mus og rotter som er mye brukt i eksperimentelle infeksjonsstudier. Prosjektet har avklart at TLR8 er avgjørende for å utløse produksjon av IFN-b i de humane cellene ved infeksjon med gule stafylokokker, samt at dette skjer ved aktivering av transkripsjonfaktoren interferon-regulatorisk faktor 5 (IRF5). Aktivering og funksjon av IRF5 er relativt dårlig kjent. Prosjektet har gitt ny kunnskap om hvordan IRF5 aktiveres og reguleres i human monocytter og makrofager. Det ble vist at IRF5 aktiveringa involverer faktorene TAK1 og IKKb, som er i overensstemmelse med to nyere internasjonale studier. Videre ble det vist at dersom de gule stafylokokkene aktiverte en annen sensor (TLR2) blir IRF5-aktiveringa og produksjonen av IFN-b blokkert. Disse resultatene ble publisert i 2015 sammen med en uavhengig studie fra en tysk forskningsgruppe som viste at TLR8 også er en viktig sensor for Gruppe A streptokokker. Prosjektet har i stor grad brukt primære humane celler framfor typiske modellsystemer som kreftcellelinjer og celler fra mus, som ofte er enklere å studere. Dette har vist seg å være viktig da vi ikke har kunnet gjenskape den samme patogen/vert-interaksjonen ved bruk av slike cellesystemer, selv om disse er svært viktige verktøy i molekylære detalj-studier. Bruk av primære humane celler har krevd etablering av nyere metodikk; deriblant «silencing-teknologi». Mikroskopi-metodikk som er etablert på prosjektet har vært sentral i arbeidet, og denne metodikken har videre blitt brukt til å vise at en mykobakterieart særlig aktiverer IRF1 i humane makrofager. Dette inngår i ytterligere en publikasjon fra forskningsgruppa. Som en videreføring av prosjektet pågår et arbeid for å avklare den molekylære mekanismen for TLR2-mediert TLR8-IRF5 blokkering, samt konsekvensen av denne kryss-reguleringa for vertsresponsen i en større skala (hel-genom). Det er også påbegynt studier med andre bakterier, blant annet Gruppe B streptokokker, for å undersøke den relative betydningen av TLR8, TLR2 og andre cellulære sensorer for bakterier. Vi har funnet at TLR2- og TLR8- aktivering utløser litt ulike cytokinprofiler og genuttrykk hos fagocyttene, noe som potensielt kan være viktig i finjustering av den ervervede immunresponsen mot ulike mikrober. En indiksjon på dette er også at TLR8 spesielt oppregulerer et protein som kan være viktig i forbindelse med antigen-presentasjon og ervervet forsvar. TLR2-mediert hemming av TLR8-funksjonen kan også være en viktig sikkerhetsmekanisme ved alvorlig infeksjon, særlig blodbåren infeksjon som kan utløse en overdreven og livstruende betennelsesreaksjon (sepsis syndrom). Behandling av sepsis syndrom med ulike hemmere av betennelses-drivende molekyler og reseptorer har vært forsøkt i en rekke store studier, men har så langt vært mislykket. Prosjektets identifisering av TLR8 som en viktig sensor ved infeksjon med gule stafylokokker, og trolig også andre mikrober, kan derfor representere et nytt mulig angrepsmål for terapi. Prosjektet er grunnforskningspreget og har gitt ny kunnskap og en bedre forståelse av patogen-vert-interaksjonen. På lengre sikt kan dette ha mulige konsekvenser for helsetjenesten i form av nye metoder for identifisering av risikofaktorer hos pasienter, for forebyggende behandling som utvikling av vaksiner, eller for bedre behandlingsregimer for alvorlige infeksjoner og sepsis syndrom.
2014
Hvordan bakterier blir gjenkjent av kroppens immunapparat er langt på vei kjent, og en familie av såkalte Toll-liknende reseptorer er sentrale i gjenkjenning av ulike klasser av mikrober. Men fortsatt gjøres det nye oppdagelser.Vi har undersøkt hvordan bakterien S. aureus stimulerer humane monocytter til produksjon av cytokinet interferon beta (IFNb) – et cytokin som tradisjonelt er assosiert med virus-infeksjoner. Vi har gjennom dette arbeidet funnet at bakteriens nukleinsyre gjenkjennes av en Toll-liknende reseptor (TLR) hvis funksjon tidligere har vært lite kjent, da det har manglet gode modellsystemer for å studere den. Vi har brukt ulike metoder, deriblant såkalt RNAi-mediert knockdown av gener, til å vise at reseptoren gjenkjenner bakteriens nukleinsyrer. Dette fører til at celler som monocytter og makrofager produserer en rekke cytokiner, blant annet IFNb, men også cytokiner som TNF, IL-12, og IL-6 som stimulerer utviklingen av betennelsesresponsen. Betennelsesresponsen er viktig for det medfødte forsvarets evne til å bekjempe bakterieinfeksjonen, samt at det er avgjørende for utviklingen av spesifikk immunitet. I tillegg har vi identifisert en ny aktiveringsvei for reseptoren (signalvei) som aktiverer en bestemt transkripsjonsfaktor hvis funksjon også har vært uklar. Dette har vi gjort ved bruk av en kvantitativ mikroskopi-teknikk (kjernetranslokasjon). Vi har også vist hvordan denne transkripsjonsfaktoren blir aktivert, noe som nylig ble bekreftet i to uavhengige studier. Videre har vi vist at denne aktiveringsveien blir motvirket av signal fra en annen TLR som gjenkjenner lipoproteiner hos bakterien. Arbeidet har blitt vurdert av et internasjonalt tidsskrift som trolig vil publisere studien i løpet av våren 2015. Vi har videre undersøkt hvordan disse to Toll-liknende reseptorene påvirker hverandre ved bruk av helgenom microarray analyse, og en proteomikk-studie er påbegynt for å identifisere hvordan signalveiene reguleres.
2013
Type I interferoner er klassiske antivirale cytokiner. I nyere tid har det blitt klart at disse cytokinene også blir produsert av fagocytter ved ulike bakterieinfeksjoner, og at de kan ha viktige immunregulerende funksjoner. Prosjektets formål er å avklare den molekylære mekanismen for IFNb induksjon ved S. aureus infeksjon og betydningen av detteI 2013 har vi lykkes med å identifisere hvilken transkripsjonsfakor som er avgjørende for hvordan Staphylococcus aureus aktiverer humane monocytter til å produsere IFNb. Dette målet ble oppnådd gjennom etablering en ny metode for å kvantifisere aktiveringen av transkripsjonsfaktorer i celler. Vi ser at denne faktoren er viktig også for dannelsen av cytokinet interleukin 12, og trolig flere andre betennelses-regulerende cytokiner fra monocytter. Det er god grunn til å anta at den mekanismen vi har funnet er av betydning for infeksjonsforsvaret også mot andre bakterier, samt at denne transkripsjonsfaktoren har blitt trukket fram som sentral i utviklingen av flere autoimmune sykdommer. En bedre forståelse av mekanismer som regulerer denne faktoren er derfor viktig. Den nye metoden for å undersøke aktivering av transkripsjonfaktorer blir et nyttig verktøy i videre studier, og den er nå tatt i bruk også på andre prosjekter i miljøet. Arbeidet har vært utført i nært samarbeid med det assosierte delprosjektet «Molecular interactions and signaling mechanisms of type I interferon induction by Staphylococcus aureus» hvor hovedfokus i 2013 har vært på de molekylære detaljene i hvordan denne transkripsjonsfaktoren blir aktivert og hvordan signalveiene samvirker. Her har spesifikke hemmere av signalveier vært sentrale, og effekten av disse hemmerne på signalkomponenter har blitt undersøkt med blant annet protein-blott teknikker (western blots) og vår nye metode for transkripsjonsfaktor-aktivering. Vi har gjennom dette vist hvordan de to reseptorene som gjenkjenner S. aureus bakterien aktiverer minst to ulike signaleringsveier, og at disse har overlappende komponenter som kan forklare hvordan de både kan samvirke og motvirke hverandre. Denne interaksjonen mellom reseptor-signalene ser ut til å forme cytokin-profilen og dermed regulere kroppens betennelses-respons mot bakterien. Vi har startet med å sammenfatte de viktigste resultatene fra de to siste års arbeid i en større artikkel. Vi er også i gang med arbeidet for en oppfølgings-studie om hvordan reseptorenes kryss-påvirkninger regulerer aktiviteten av gener over en helgenom skala
2012
Type I interferoner er klassiske antivirale cytokiner. I nyere tid har det blitt klart at disse cytokinene også blir produsert av fagocytter ved ulike bakterieinfeksjoner, og at de kan ha viktige immunregulerende funksjoner. Prosjektets formål er å avklare den molekylære mekanismen for IFNb induksjon ved S. aureus infeksjon og betydningen av dette.I 2012 har vi arbeidet med å identifisere hvilke molekylære komponenter av de gule stafylokokkene (Staphylococcus aureus) som stimulerer celler til IFNb produksjon. Vi har brukt ulike S. aureus stammer, mutanter, ekstrakter, samt kommersielt tilgjengelige bakterie-komponenter og syntetiske ligander som er spesifikke for ulike typer immuncelle-reseptorer. Parallelt med dette har vi screenet fagocytter fra transgene mus (knockouts) for å avklare hvilke reseptorer og signal-systemer som aktiveres i prosessen. For studier med humane cellelinjer og primærceller har vi benyttet spesifikke hemmere og stimulanter av ulike cellulære molekyler og prosesser for å avklare mekanismen. Det er også utført forsøk med en human fullblodmodell som inkluderer studier av komplementsystemets rolle for S. aureus-induserte responser. Vi har funnet at klonede celler fra mus og primære humane celler bruker helt forskjellige reseptor-systemer for å aktivere IFNb produksjonen. Vi har også identifisert hvilken type molekyler fra bakterien som induserer denne responsen i humane celler, og at en annen type molekyler fra bakterien kan hemme denne responsen via en annen reseptor. Også her ser det ut til at det er klare ulikheter mellom humane primære fagocytter og klonede celler fra mus og menneske. Det arbeides videre med å avklare de molekylære detaljene i hvordan de ulike prosessene reguleres inne i cella, noe som er hovedfokus for det assosierte delprosjektet «Molecular interactions and signaling mechanisms of type I interferon induction by Staphylococcus aureus». Et manuskript basert på funnene er under utarbeidelse.
Vitenskapelige artikler
Awuh JA, Haug M, Mildenberger J, Marstad A, Do CP, Louet C, Stenvik J, Steigedal M, Damås JK, Halaas Ø, Flo TH

Keap1 regulates inflammatory signaling in Mycobacterium avium-infected human macrophages.

Proc Natl Acad Sci U S A 2015 Aug 4;112(31):E4272-80. Epub 2015 jul 20

PMID: 26195781

Bergstrøm B, Aune MH, Awuh JA, Kojen JF, Blix KJ, Ryan L, Flo TH, Mollnes TE, Espevik T, Stenvik J

TLR8 Senses Staphylococcus aureus RNA in Human Primary Monocytes and Macrophages and Induces IFN-ß Production via a TAK1-IKKß-IRF5 Signaling Pathway.

J Immunol 2015 Aug 1;195(3):1100-11. Epub 2015 jun 17

PMID: 26085680

Nilsen NJ, Vladimer GI, Stenvik J, Orning MP, Zeid-Kilani MV, Bugge M, Bergstroem B, Conlon J, Husebye H, Hise AG, Fitzgerald KA, Espevik T, Lien E

A role for the adaptor proteins TRAM and TRIF in toll-like receptor 2 signaling.

J Biol Chem 2015 Feb 6;290(6):3209-22. Epub 2014 des 11

PMID: 25505250

Deltagere
  • Terje Espevik Forskningsgruppeleder
  • June Frengen Kojen Prosjektdeltaker
  • Bjarte Bergstrøm Postdoktorstipendiat
  • Jørgen Stenvik Prosjektleder
  • Tom Eirik Mollnes Prosjektdeltaker
  • Marie Hjelmseth Aune Prosjektdeltaker
  • Trude Helen Flo Prosjektdeltaker
  • Jane Atesoh Awuh Prosjektdeltaker
  • Kjetil Jordahl Blix Prosjektdeltaker
  • Liv Ryan Prosjektdeltaker

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til Helse Midt-Norge RHF - Samarbeidsorganet og FFU

Personvern  -  Informasjonskapsler