Immunity-Related GTPases in Cell-autonomous Resistance against Toxoplasma gondii

Zhao, Yang (2008). Immunity-Related GTPases in Cell-autonomous Resistance against Toxoplasma gondii. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Immunity-related GTPases are interferon-inducible, indispensable resistance factors against a variety of intracellular bacterial and protozoal pathogens in mice. Irgm1 is the most powerful member of the IRG family. Previous studies showed that Irgm1 localizes mainly to the Golgi apparatus, and relocalizes to phagocytic cups during phagocytosis. Macrophages deficient in Irgm1 have impaired acidification of M. tuberculosis-containing phagosomes. In addition, a role of Irgm1 in promoting autophagy has been proposed based on EGFP-tagged Irgm1 overexpression experiments. During T. gondii infection, at least 6 IRG family members translocate from their resting localization onto the T. gondii parasitophorous vacuolar membrane and contribute to disruption of the T. gondii vacuoles. In the present study, Irgm1 has been shown to be associated with late endocytic/lysosomal compartments in addition to Golgi apparatus. N or C terminally EGFP-tagged Irgm1 is not localized to the Golgi and mislocalizes to the early/recycling endosomes as well as other unknown vesicular structures. Both Golgi and lysosomal localization of Irgm1 are mediated by a C-terminal amphipathic helix. Although Irgm1 is indispensable for mice to survive T. gondii infection, Irgm1 is not recruited to the T. gondii vacuole and is not absolutely necessary for the IFN-gamma-dependent cell-autonomous control of T. gondii. Using live cell imaging, the present experiments show the sequence of events by which IFN-gamma treated cells eliminate T. gondii. After the invasion of T. gondii, the vacuoles are coated with IRG proteins and subsequently disrupted. The stripped T. gondii are released to the cytosol and killed. The host cells finally undergo necrosis, and this presumably serves as a cell-autonomous resistance mechanism. The necrotic host cells release the proinflammatory mediator, HMGB1, to further enhance the host immune responses. Virulent T. gondii strains do not elicit IFN-gamma-dependent host cell death, but could not inhibit the death process once it is initiated by co-infection with an avirulent strain. The presented results show that in T. gondii infection, the IRG proteins contribute to the disruption of the T. gondii vacuole and this could be a trigger for the subsequent parasite killing as well as host cell death.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Immunity-related GTPasen in der Zell-autonomen Resistenz gegen Toxoplasma gondii	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Die Immunity-related GTPasen sind Interferon induzierbare, essentielle Resistenzfaktoren gegen ein breites Spektrum intrazellulärer bakterieller und protozoischer Pathogene in der Maus. Das stärkste Mitglied der IRG Familie ist Irgm1. In vorherigen Studien wurde gezeigt, dass Irgm1 hauptsächlich am Golgi Apparat lokalisiert ist und während der Phagozytose zu den sogenannten "phagocytic cups" relokalisiert wird. Irgm1 defiziente Makrophagen zeigen eine verminderte Ansäuerung von Phagosomen die M. tuberculosis enthalten. Basierend auf Experimenten in den an EGFP gekoppeltes Irgm1 überexpremiert wurde, wurde eine Funktion von Irgm1 in der Stimulierung von Autophagie vorgeschlagen. Während der Infektion mit T. gondii verlagern mindestens sechs IRG Proteine ihre Lokalisation an die Membran der T. gondii enthaltenden parasitophoren Vakuole und tragen zur Zerstörung der T. gondii Vakuolen bei. In dieser Studie wurde gezeigt, dass Irgm1 neben dem Golgi Apparat auch mit dem späten endozytischen/lysosomalen Kompartment assoziiert ist. N- oder C-terminal EGFPgekoppeltes Irgm1 lokalisiert nicht am Golgi sondern mislokalisiert an den frühen/recycling Endosomen und unbekannten vesikulären Strukturen. Die richtige Lokalisation von Irgm1 am Golgi und Lysosomen wird durch eine C-terminale amphipatische Helix vermittelt. Obwohl Irgm1 essentiell für Mäuse ist um eine Infektion mit T. gondii zu überleben, wird Irgm1 nicht zur T. gondii Vakuole rekrutiert und ist nur bedingt essentiell für die IFN-gamma-abhängige zellautonome Kontrolle von T. gondii. Durch den Einsatz von "live cell imaging" wurde die zeitliche Abfolge von Ereignissen aufgeklärt durch die IFN-gamma-stimulierte Zellen T. gondii eliminieren. Nach der Invasion von T. gondii wird die Vakuole mit IRG Proteinen bedeckt und anschließend zerstört. Die freien T. gondii werden ins Cytosol freigesetzt und getötet. Abschließend sterben die Wirtszellen durch Nekrose. Diese Nekrose dient wahrscheinlich als zellautonomer Resistenzmechanismus. Die nekrotischen Wirtszellen setzen den proinflammatorischen Mediator HMGB1 frei um die Immunantwort des Wirts weiter zu stärken. Virulente T. gondii Stämme führen nicht zum IFN-gamma-abhängigen Tod der Wirtszelle, aber sie können die Einleitung des Todes der Zelledurch Nekrose, hervorgerufen durch Koinfection mit avirulenten Stämmen, nicht unterbinden. Die hier gezeigten Ergebnisse zeigen, dass IRG Proteine während der Infektion mit T. gondii zur Zerstörung der T. gondii Vakuole beitragen und dass dies der Auslöser für die anschließende Eliminierung des Parasiten und den Tod der Wirtszelle sein könnte.

German

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