Microbe-induced Innate Immune Responses in Human Dendritic Cells

Abstract

Two types of antigen-presenting cells (APCs), macrophages and dendritic cells (DCs), function at the interface of innate and adaptive immunity. Through recognition of conserved microbial patterns, they are able to detect the invading pathogens. This leads to activation of signal transduction pathways that in turn induce gene expression of various molecules required for immune responses and eventually pathogen clearance. Cytokines are among the genes induced upon detection of microbes. They play an important role in regulating host immune responses during microbial infection. Chemotactic cytokines, chemokines, are involved in migratory events of immune cells. Cytokines also promote the differentiation of distinct T cell responses. Because of the multiple roles of cytokines in the immune system, the cytokine network needs to be tightly regulated.

In this work, the induction of innate immune responses was studied using human primary macrophages or DCs as cell models. Salmonella enterica serovar Typhimurium served as a model for an intracellular bacterium, whereas Sendai virus was used in virus experiments. The starting point of this study was that DCs of mouse origin had recently been characterized as host cells for Salmonella. However, only little was known about the immune responses initiated in Salmonella-infected human DCs. Thus, cellular responses of macrophages and DCs, in particular the pattern of cytokine production, to Salmonella infection were compared.

Salmonella-induced macrophages and DCs were found to produce multiple cytokines including interferon (IFN) -gamma, which is conventionally produced by T and natural killer (NK) cells. Both macrophages and DCs also promoted the intracellular survival of the bacterium. Phenotypic maturation of DCs as characterized by upregulation of costimulatory and human leukocyte antigen (HLA) molecules, and production of CCL19 chemokine, were also detected upon infection with Salmonella.

Another focus of this PhD work was to unravel the regulatory events controlling the expression of cytokine genes encoding for CCL19 and type III IFNs, which are central to DC biology. We found that the promoters of CCL19 and type III IFNs contain similar regulatory elements that bind nuclear factor kappaB (NF-kappaB) and interferon regulatory factors (IRFs), which could mediate transcriptional activation of the genes. The regulation of type III IFNs in virus infection resembled that of type I IFNs – a cytokine class traditionally regarded as antiviral. The induction of type I and type III IFNs was also observed in response to bacterial infection.

Taken together, this work identifies new details about the interaction of Salmonella with its phagocytic host cells of human origin. In addition, studies provide information on the regulatory events controlling the expression of CCL19 and the most recently identified IFN family genes, type III IFN genes.

Kehomme immuunijärjestelmä on jakautunut synnynnäiseen ja hankittuun immuniteettiin, jotka yhdessä vastaavat mikrobi-infektioiden torjunnasta. Luonnollinen ja hankittu immuniteetti ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa antigeeniä esittelevien solujen kuten makrofagien ja dendriittisolujen välityksellä. Makrofagit ja dendriittisolut tunnistavat evoluutiossa säilyneitä mikrobirakenteita, jotka toimivat varoitussignaalina puolustusjärjestelmien aktivoitumiselle. Eräs tärkeä ryhmä proteiineja, joiden tuotanto käynnistyy solunsisäisten signaalinvälitysreittien toimesta, ovat sytokiinit. Monet sytokiineistä ohjaavat T-soluvasteiden erilaistumista, kemokiinien päätehtävänä on puolestaan säädellä valkosolujen liikennettä kudoksissa. Lukuisten tehtäviensä vuoksi on tärkeää, että sytokiinijärjestelmä on tiukan säätelyn alainen.

Tässä työssä tutkittiin synnynnäisen immuniteetin aktivoitumista ihmisen makrofageissa ja dendriittisoluissa. Mikrobi-infektion mallintamisessa käytettiin Salmonella enterica sevorar Typhimurium -bakteeria sekä Sendai-virusta. Työ aloitettiin, koska haluttiin selvittää toimivatko ihmisen dendriittisolut Salmonella-bakteerin isäntäsoluna, ja miten erityisesti sytokiinituotanto aktivoituu infektion aikana. Vertailukohtana käytettiin makrofageja, joiden toiminnasta Salmonella-infektiossa tiedettiin jo paljon ennen tätä tutkimusta.

Salmonella sai aikaan makrofageissa ja dendriittisoluissa useiden sytokiinien tuotannon mukaan lukien interferoni (IFN)- gamman, jota yleensä tuottavat luonnolliset tappajasolut ja T solut. Salmonella pystyi selviytymään paitsi makrofagien myös dendriittisolujen sisällä. Lisäksi CCL19-kemokiinin erittyminen ja tiettyjen antigeeniesittelyssä tarvittavien molekyylien ilmentyminen solun pinnalla kuvastivat dendriittisolujen kypsymistä Salmonella-infektion aikana.

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös tarkemmin miten sytokiinigeenien ilmentyminen on säädelty transkriptiotasolla. CCL19- ja tyypin III IFN -geenien promoottorialueilta löydettiin samankaltaisia säätelyelementtejä, joiden havaittiin sitovan NF-kappaB- ja IRF-transkriptiotekijöitä välittäen myös geenien aktivaatiota. Osoitimme myös, että tyypin I ja tyypin III IFN -geenien säätely muistuttavat toisiaan virusinfektiossa. Tyypin I ja III IFN -tuotantoa on aiemmin tutkittu pääasiallisesti virusinfektion aikana, mutta tuloksemme osoittavat, että niitä ilmennetään myös bakteeri-infektion seurauksena.

Tämä väitöskirjatyö tuo esille uutta tietoa Salmonella-bakteerin ja sen isäntäsolujen, makrofagien ja dendriittisolujen, välisestä vuorovaikutuksesta. Lisäksi tutkimukset syventävät tietämystämme miten dendriittisolujen biologiassa tärkeiden CCL19- ja tyypin III IFN geenien aktivaatiota säädellään mikrobi-infektion aikana.