The role of chemical signaling and gut mucosal immunity during Citrobacter rodentium infection - Melchior, Karine [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
The human pathogens enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) and enterohemorrhagic E. coli (EHEC) are transmitted by the fecal-oral route and cause severe diseases worldwide. Due to their potential to induce pathological lesions in the gut epithelium, they are commonly known as attaching and effacing pathogens (A/E pathogens). To date, effective strategies to manage EPEC and EHEC infections beyond standard supportive measures are lacking. Therefore, preclinical studies to better understand the mechanisms of infection of EPEC and EHEC are required. Because these bacteria are poorly pathogenic in mice, Citrobacter rodentium has been broadly used as an alternative in vivo model pathogen to study EHEC and EPEC disease. Similarly, to human pathogens, C. rodentium causes A/E lesions in mice without requiring antibiotic pretreatment to establish infection. Studies have shown that the membrane-bound histidine sensor kinase QseC promotes A/E pathogen colonization in vivo. However, whether QseC signaling is essential for A/E pathogens to resist and evade immune responses to establish disease remains unknown. On the host side, interleukin IL-22 is critical to resolve C. rodentium-mediated disease, although the exact mechanism(s) of IL-22-mediated protection are not well understood. Here, we aimed to investigate the role of chemical signaling through the QseC sensor for establishing disease and resistance to the host immune response. Furthermore, we studied the downstream mechanisms that mediate the mucosal immune protection conferred by IL-22 during C. rodentium infection. Our data suggest that the QseC sensor is directly involved in triggering intestinal inflammation and promoting transmissible colonic crypt hyperplasia, a hallmark pathological feature of C. rodentium-mediated disease. Moreover, QseC-mediated signaling enhanced C. rodentium’s resistance to neutrophil antimicrobial responses, resulting in the pathogen’s systemic dissemination in vivo. We identified changes in the lipopolysaccharide membrane modulated by the QseC sensor as a potential mechanism. Furthermore, we found that the IL-22-mediated resolution of C. rodentium infection was independent of the induction of several downstream responses, including calprotectin, Reg3β, Reg3γ, lipocalin-2, and C3. Instead, the susceptibility of IL-22 deficient mice to C. rodentium was primarily associated with increased intestinal permeability. Together, our data show that C. rodentium depends on chemical signaling mediated by QseC for disease establishment and to resist the immune responses conferred by neutrophils. Upon infection, IL-22 plays an essential role in host protection, which was independent of a single deficiency of either antimicrobial peptide regulated by this cytokine; instead, protection was related to IL-22’s regenerative properties by promoting the epithelial barrier integrity. Overall, our work expands the knowledge of the in vivo mechanisms triggered by A/E pathogens during infection.

Escherichia coli enteropatogênica (EPEC) e E. coli enterohemorrágica (EHEC) são patógenos humanos transmitidos pela via fecal-oral que causam doenças graves mundialmente. Devido a lesão que desenvolvem em células epiteliais intestinais, essas bactérias são conhecidas como patógenos Attaching and Effacing (patógenos A/E). Até o momento nenhuma estratégia eficaz foi desenvolvida para combater as infecções causadas por EHEC e EPEC, sendo o tratamento restrito apenas a suporte. Portanto, estudos pré-clínicos para melhor entender os mecanismos de infecção de EPEC e EHEC são necessários. Como essas bactérias são pouco patogênicas em camundongos, Citrobacter rodentium tem sido utilizada como um patógeno modelo alternativo para estudar in vivo a doença causada por EHEC e EPEC, uma vez que causa lesão A/E em camundongos e não requer pré-tratamento com antibióticos para estabelecer a infecção. Estudos demonstraram que o sensor QseC, presente na membrana de bactérias, beneficia a colonização de patógenos A/E em vivo. No entanto, pouco se sabe se a sinalização através do sensor QseC em patógenos A/E é essencial para evadir e resistir às respostas imunes do hospedeiro para o estabelecimento da doença. Ainda, estudos demonstram que a interleucina-22 é essencial para a resolução da doença causada por C. rodentium em camundongos embora o(s) mecanismo(s) exato(s) de proteção mediada por Il-22 ainda necessitem de mais investigação. Desta forma, este trabalho foi desenvolvido com o intuito de investigar a participação da sinalização química através do sensor QseC para estabelecimento da infecção e resistência à resposta imune do hospedeiro, e o mecanismo mediado por IL-22 que confere proteção durante a infecção por C. rodentium. Nossos resultados sugerem que o sensor QseC está diretamente envolvido no desencadeamento da inflamação intestinal e desenvolvimento da hiperplasia transmissível da cripta colônica, sendo esta última, uma característica da doença mediada por C. rodentium. Além disso, através da sinalização mediada por QseC, C. rodentium tem sua sobrevivência a neutrófilos aumentada, o que pode estar associado com sua disseminação sistêmica in vivo que pode ser devido a mudanças na membrana de lipopolissacarídeo modulada pelo sensor QseC. Ainda, nossos resultados sugerem que uma vez estabelecida a infecção, a citocina IL-22 é fundamental para a resolução da doença mediada por C. rodentium, uma vez que camundongos deficientes em IL-22 não sobrevivem à infecção. Porém esse fenótipo não é dependente de respostas mediadas pelas proteínas antimicrobianas: calprotectina, REG3, lipocalina-2 e C3, mas pode estar associada à indução de mecanismos de regeneração e integridade do epitélio mediados por IL-22. Juntos, esses resultados demonstram que patógenos A/E dependem da sinalização química via QseC para resistir à resposta imune mediada por neutrófilos e para o estabelecimento da doença causada por C. rodentium em camundongos. Após a infecção, IL-22 desempenha um papel essencial na proteção do hospedeiro, que não depende da resposta isolada de peptídeo antimicrobianos regulados por esta citocina; ao contrário, essa proteção pode estar associada à recuperação do epitélio intestinal mediada por IL-22, promovendo integridade epitelial. De modo geral, nosso trabalho amplia o conhecimento dos mecanismos in vivo desencadeados por patógenos A/E durante a infecção.
O papel da sinalização química e da imunidade da mucosa intestinal durante a infecção por Citrobacter rodentium
Keywords: Chemical Signaling; Citrobacter rodentium; Immune response; Interleukin-22; Sinalização química; Resposta Imune; Interleucina-22