Mechanisms of Cell-autonomous Resistance to Toxoplasma gondii in Mouse and Man

Khaminets, Aliaksandr (2010). Mechanisms of Cell-autonomous Resistance to Toxoplasma gondii in Mouse and Man. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

Preview

PDF
To_publish_Khaminets_2010_copy_2.pdf
Download (44MB)

Abstract

Toxoplasma gondii is a widespread protozoan parasite infecting all warm-blooded animals and causing disease in immunocompromised individuals and in utero. The pathogen depends on the intracellular life style residing in a specialized organelle, termed parasitophorous vacuole (PV), in order to survive and replicate. Cell-autonomous immunity, regulated by IFNg, is essential to restrict growth of the parasite in mouse and man. In mouse cells, resistance to T. gondii is mediated by the family of IFN-inducible IRG proteins (p47 GTPases). Upon infection several IRG proteins associate with the PV and participate in vesiculation of the PV membrane leading to demise of the parasite and necrotic death of the cell. Until now, despite intrinsic interest, the phenomenon of IRG protein loading onto PV has not been well studied. In human cells, depletion of cellular tryptophan by IDO has been reported as the major mechanism of restriction of T. gondii proliferation exerted by IFNg. IDO-independent restriction of T. gondii growth has been reported but not followed up. The process of IRG protein association with T. gondii vacuoles emerged as a rapid, organized and diffusion-driven event where multiple resistance proteins sequentially bind to the vacuolar membrane forming homomeric and heteromeric complexes. The efficient loading process requires the autophagy factor Atg5 regulating correct localisation of IRG proteins prior to infection. Virulent strains of T. gondii inhibit IRG protein association with PVs independently of individual virulence determinants ROP5, ROP16 and ROP18. Impaired loading of IRG proteins onto T. gondii vacuoles leads to reduced elimination of the parasite in IFNg-stimulated cells, underlining the importance of the phenomenon in cell-autonomous immunity to T. gondii. This study shows that density of cultured cells is the key factor in determining the mode of T. gondii control in primary human cells. IFNg-induced, proliferating cells control parasite replication independently of IDO. Consistent with absence of the IRG system in humans, the vacuolar membrane and enclosed parasite remain intact in IFNg-induced human cells. However, similar to mouse cells, human cells die by necrosis, when infected with T. gondii and stimulated with IFNg. This may not only suppress parasite growth but also amplify an antimicrobial response due to release of the proinflammatory �danger� signal HMGB1. Programmed necrosis could be efficiently suppressed at high densities of primary cells and in HeLa cell line, and tryptophan depletion becomes the main source of T. gondii control.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter parasitischer Protozoe, der potentiell alle warmblütigen Tiere infizieren kann und in Individuen mit geschwächtem Immunsystem und in utero schwere Krankheiten verursacht. Der Pathogen ist auf einen intrazellulären Lebensstil innerhalb eines speziellen Organells, der parasitophoren Vakuole (PV) angewiesen, welche für sein Überleben und seine Vermehrung notwendig ist. Das Wachstum des Parasiten in Mensch und Maus wird durch die IFNg regulierte, zell-autonome Immunität eingeschränkt. In Mauszellen wird die Resistenz gegen T. gondii durch die Familie der IFN-induzierbaren IRG Proteine (p47 GTPasen) vermittelt. Bei erfolgter Infektion assoziieren mehrere IRG Proteine mit der PV und tragen dazu bei, dass die PV-Membran vesikuliert, was schließlich zum Tod des Parasiten und nekrotischem Tod der Wirtszelle führt. Bis heute sind trotz immanentem Interesse die Vorgänge der IRG Proteinakkumulation auf der PV unzureichend untersucht. In menschlichen Zellen wurde der durch Stimulation mit IFNg bewirkt Abbau zellulären Tryptophans durch Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) als wesentlicher Abwehrmechanismus identifiziert. IDO-unabhängige Mechanismen zur Einschränkung des Wachstums von T. gondii wurden zwar berichtet, jedoch nicht weiter verfolgt. Das sich entwickelte Verständnis der IRG Proteinassoziation mit der Vakuole von T. gondii ist das eines schnellen, organisierten und diffusionsgetriebenen Vorganges, bei welchem mehrere der Proteine der Reihe nach an die Vakuolenmembran binden und dabei homo- und heteromere Komplexe bilden. Für die effiziente Akkumulation ist der Autophagy Regulator Atg5 notwendig, welcher schon vor erfolgter Zellinvasion des Parasiten für eine korrekte Lokalisation der IRG Proteine notwendig ist. Virulente T. gondii-Stämme sind in der Lage, unabhängig von den Virulenzdeterminanten ROP5, ROP16 und ROP18 die IRG Proteinassoziation mit der PV zu hemmen. In IFNg-stimulierten Zellen führt die beeinträchtigte Beladung von T. gondii Vakuolen mit IRG Proteinen zu einer verminderten Elimination des Parasiten, welches die Bedeutung dieses Vorganges im Rahmen der zell-autonomen Immunität gegen T. gondii weiter unterstreicht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass für die Kontrolle von T.gondii in menschlichen Zellen die Dichte der kultivierten Zellen entscheidend ist. IFNg-stimulierte, proliferierende Zellen kontrollieren die Replikation des Parasiten IDO-unabhängig. In Übereinstimmung mit dem Fehlen des IRG Systems in Menschen bleibt die Vakuolenmembran sowie der darin enthaltene Parasit in menschlichen, IFNg-stimulierte Zellen intakt. In Analogie zu Mauszellen, sterben humane IFNg-induzierte Wirtszellen jedoch durch nekrotischen Zelltod. Dies unterdrückt nicht nur die Ausbreitung des Parasiten, sondern verstärkt durch die Freisetzung des proinflammatorischen �Warnsignals� HMGB1 auch die antimikrobielle Antwort. Der nekrotische Zelltod konnte durch eine hohe Dichte einiger primärer menschlicher Zellenlinien und HeLa zellen zum Zeitpunkt der Infektion effizient unterdrückt werden, so dass der Abbau von Tryptophan hier hauptverantwortlich für die Kontrolle von T. gondii war.

German

Creators: