Neste trabalho, esclarecemos tópicos da patogenicidade de EIEC que sustentam a sua menor virulência quando comparada à S. flexneri, e mostramos a importância das células dendríticas (CD) nesse processo. Estudou-se o comportamento de EIEC e S. flexneri quando em contato com células Caco-2, avaliando-se uma cinética de expressão dos genes envolvidos na invasão e disseminação bacteriana. Em geral, todos os genes foram menos expressos em EIEC, fato corroborado pelo fenótipo de disseminação bacteriana, onde EIEC foi menos eficiente do que Shigella. Também foi avaliada a modulação da resposta inflamatória de células dendríticas intestinais murinas pela produção de citocinas, expressão de moléculas co-estimulatórias e apresentação de antígenos, após desafio das células com as bactérias. Os resultados sugerem que EIEC induz a uma resposta protetora ao hospedeiro, enquanto que Shigella estaria \"driblando\" o sistema imune, além de provavelmente super-estimular o sistema imune adaptativo, fato que poderia levar a um agravamento da doença. As ações integradas das células Caco-2, células dendríticas e estímulos bacterianos foram estudadas em co-cultura celular. Observou-se que EIEC e suas proteínas secretadas induzem a migração das CDs ao compartimento apical da co-cultura; nada foi observado quando o desafio se deu com Shigella. Também foram avaliadas as concentrações de citocinas inflamatórias no microambiente infeccioso formado. A citocina TNF-α, bem como CCL20 e MCP-1 foram mais proeminentes após estímulo com EIEC, fato que poderia explicar parcialmente a migração das CDs ao lado apical da co-cultura após estímulo com EIEC e suas proteínas secretadas. Nossas evidências experimentais indicam que a doença desencadeada por EIEC é mais restrita a um determinado local da infecção, ou seja, não é capaz de se disseminar a ponto de estender a lesão tecidual de forma mais drástica, como Shigella. Esse fenômeno pode estar associado à menor expressão de seus dos fatores de virulência e à resposta imune inata induzida no sítio de infecção, o que levaria, fatalmente, à resolução da doença. / In this study, we clarify topics of pathogenicity from EIEC that support its lower level of virulence when it is compared to S. flexneri, and we have shown the importance of dendritic cells (DC) in this process. We studied the conduct of EIEC and S. flexneri when they were in contact with Caco-2 cells and we analyzed the kinetics of the genes expression that was involved in the spread and invasion of the bacteria. In general, all genes were expressed less in EIEC, as demonstrated by the phenotype of the bacterial spread, where EIEC was less efficient than Shigella. We also analyzed the modulation of the inflammatory response by the murine intestinal dendritic cells by the production of cytokine, expression of co-stimulators molecules and antigens presentation, after the interaction of the cells with the bacteria. The results showed that EIEC induces a response that protects the host while Shigella manipulate the host intestinal innate and adaptive immune system and it probably over-stimulates the adaptive immune system which could let the disease worse. The integrated actions of Caco-2 cells, dendritic cells and bacterial stimulus, were studied in a co-culture cell. We observed that EIEC and its secreted proteins induce the migration of the DCs to the apical compartment of the co-culture; nothing was observed related to Shigella. We also evaluated the concentrations of the inflammatory cytokines at the infective micro environment that was formed. The cytokine TNF-α, as CCL20 and MCP-1 were more prominent after been stimulated with EIEC, a fact that could partially explain the migration of DCs to the apical side of the co-culture after the stimulus with EIEC and its secreted proteins. Our experimental evidence shows that the disease triggered by the EIEC is more restricted at a definite infection place, which means that it is not capable of disseminating beyond a certain point to extend the tissue\'s injury and let it worsen, as Shigella do. This phenomenon can be associated with the lower level of expression of its virulence factors and to the immune response induced in the infection site, what could finally lead to the eradication of the disease.

As Escherichia coli produtoras da toxina Shiga (STEC) são importantes patógenos humanos, causando desde diarréias até a síndrome hemolítica urêmica (SHU). Há diversos sorotipos associados a SHU, tais como O157:H7 e O113:H21. No Brasil o sorotipo O113:H21 ainda não aparece associado a SHU, embora seja frequentemente isolado de carcaças e fezes bovinas. Nosso grupo já investigou comparativamente as redes de coexpressão gênica (RCG) de STEC EH41 (associado à SHU) e Ec472/01 (isolado de fezes bovinas). A análise comparativa do perfil transcricional de EH41 e Ec472/01 revelou que somente EH41 expressa um conjunto de genes que inclui o regulador transcricional dicA. A maioria destes genes está situada em um único módulo transcricional e podem estar associados a fatores de virulência. Assim, este trabalho centrou-se numa abordagem de biologia de sistemas, integrando análises genômica e fenotípica da resposta de enterócitos Caco-2 à EH41 e Ec472/01. A análise genômica baseou-se no estudo temporal de RCG para compreender os mecanismos moleculares envolvidos na patogenicidade desses dois isolados. As alterações fenotípicas ocorridas nas células Caco-2 ao longo da exposição a cada um dos isolados de STEC foram visualizadas através de MEV. A análise genômica mostrou que o mecanismo molecular da resposta de Caco-2 durante a interação com EH41 ou Ec472/01 é claramente distinto. Nas redes do grupo Caco-2/EH41 as alterações topológicas incluíram a perda do status scale free e a sua recuperação, com o estabelecimento de uma nova hierarquia de genes na rede. Esses resultados se enquadram no modelo de redes para transição saúde-doença: a nova rede representa a resposta adaptativa da célula ao patógeno, o que não significa um retorno à normalidade. Já no grupo Caco-2/Ec472 as redes, após a perda do status scale free, não recuperam esse status até o final do período estudado, o que sugere um estado de transição mais prolongado para reorganização da hierarquia da rede. Mais ainda, através da caracterização dos módulos transcricionais, foi possível compreender dinamicamente os mecanismos moleculares envolvidos na resposta diferencial de Caco-2 aos dois isolados aqui estudados. STEC EH41 induz rapidamente a resposta inflamatória e apoptótica a partir da primeira hora de interação enterócito-bactéria. Por outro lado, células Caco-2 em contato com Ec472/01 ativam, a partir de uma hora, a fagocitose e, a partir da segunda hora, expressam moduladores da homeostase imune. A análise fenotípica das células Caco-2 mostrou, de forma nítida, uma maior destruição dos microvilos dos enterócitos em contato com EH41 do que com Ec472/01. Integrando os resultados genômicos e fenotípicos pode-se concluir que EH41 induz em Caco-2 - em comparação com Ec472/01 - maiores e mais rápidas alterações na expressão gênica global, além de uma resposta inflamatória e apoptótica excessiva, levando assim a alterações morfológicas mais pronunciadas nas células Caco-2. Em seu conjunto, esses resultados contribuem para uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares envolvidos na patogenicidade das STECs associadas à SHU. Assim, as perspectivas de desenvolvimento deste trabalho deverão incluir a investigação de fatores de virulência e vias moleculares envolvidas na indução das respostas imunes que podem conduzir à SHU / Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) O113:H21 strains are associated with human diarrhea and some of these strains may cause hemolytic uremic syndrome (HUS). In Brazil O113:H21 strains are commonly found in cattle but, so far, were not isolated from HUS patients. Previously, our group conducted comparative gene co-expression network (GCN) analyses of two O113:H21 STEC strains: EH41, isolated from a HUS patient in Australia, and Ec472/01, isolated from bovine feces in Brazil. Differential transcriptome profiles for EH41 and Ec472/01 revealed a gene set exclusively expressed in EH41, which includes the dicA putative virulence factor regulator. GCN analysis showed that this set of genes constitutes an EH41 specific transcriptional module which may be associated to virulence factors. Therefore, in the present work a system biology approach was conducted to investigate the differential Caco-2 response - genomic and phenotypic - to EH41 (Caco-2/EH41) or to Ec472/01 (Caco- 2/Ec472) along enterocyte-bacteria interaction. The genomic analysis was based on temporal GCN data in order to gain a better understanding on the molecular mechanisms underlying the capacity to cause HUS. The phenotypic alterations in Caco-2 during enterocyte-bacteria interaction were assessed by scanning electronic microscopy (SEM). The genomic analysis showed that the molecular mechanism of Caco-2 response to EH41 or to Ec472/01 during enterocyte-bacteria interaction is clearly different. The GCN topological analyses for Caco-2/EH41 group revealed loss of the scale-free status after one hour of interaction, persistence of this condition along the second hour and establishment of a new gene hierarchy thereafter. These events resemble the network mechanism of health-disease transition. The new established network represents an adaptive cell response to the pathogen and not the return to a \"normal\" state. Conversely, the networks for Caco-2/Ec472 group showed a slow and progressive loss of the scale-free status without its restoration at the end of the time interval here studied. Through transcriptional module characterization it was possible to reveal the dynamic of the molecular mechanism involved in the Caco-2 differential responses to the STEC isolates. EH41 induces a rapid inflammatory and apoptotic response just after the first hour of enterocyte-bacteria interaction. Instead, the Caco-2 response to Ec472/01 is characterized by phagocytosis activation at the first hour, followed by the expression of immune response modulators after the second hour. SEM phenotypic analysis of Caco-2 cells along enterocyte-bacteria interaction showed more intense microvilli destruction in cells exposed to EH41, when compared to cells exposed to Ec472/01. The integration of genomic and phenotypic data allowed us to conclude that EH41, comparatively to Ec472/01, induces greater and precocious global gene expression alterations in Caco-2, what is related to excessive inflammatory and apoptotic responses. These responses are associated with the pronounced morphological alterations observed by SEM in Caco-2 cells exposed to EH41. Altogether, these results contribute for a better understanding of the molecular mechanism involved in STEC pathogenicity associated to HUS. Therefore, the future perspectives for the development of the present work should include the investigation of virulence factors and molecular pathways involved in the induction of immune responses leading to HUS

As Escherichia coli produtoras da toxina Shiga (STEC) são importantes patógenos humanos, causando desde diarréias até a síndrome hemolítica urêmica (SHU). Há diversos sorotipos associados a SHU, tais como O157:H7 e O113:H21. No Brasil o sorotipo O113:H21 ainda não aparece associado a SHU, embora seja frequentemente isolado de carcaças e fezes bovinas. Nosso grupo já investigou comparativamente as redes de coexpressão gênica (RCG) de STEC EH41 (associado à SHU) e Ec472/01 (isolado de fezes bovinas). A análise comparativa do perfil transcricional de EH41 e Ec472/01 revelou que somente EH41 expressa um conjunto de genes que inclui o regulador transcricional dicA. A maioria destes genes está situada em um único módulo transcricional e podem estar associados a fatores de virulência. Assim, este trabalho centrou-se numa abordagem de biologia de sistemas, integrando análises genômica e fenotípica da resposta de enterócitos Caco-2 à EH41 e Ec472/01. A análise genômica baseou-se no estudo temporal de RCG para compreender os mecanismos moleculares envolvidos na patogenicidade desses dois isolados. As alterações fenotípicas ocorridas nas células Caco-2 ao longo da exposição a cada um dos isolados de STEC foram visualizadas através de MEV. A análise genômica mostrou que o mecanismo molecular da resposta de Caco-2 durante a interação com EH41 ou Ec472/01 é claramente distinto. Nas redes do grupo Caco-2/EH41 as alterações topológicas incluíram a perda do status scale free e a sua recuperação, com o estabelecimento de uma nova hierarquia de genes na rede. Esses resultados se enquadram no modelo de redes para transição saúde-doença: a nova rede representa a resposta adaptativa da célula ao patógeno, o que não significa um retorno à normalidade. Já no grupo Caco-2/Ec472 as redes, após a perda do status scale free, não recuperam esse status até o final do período estudado, o que sugere um estado de transição mais prolongado para reorganização da hierarquia da rede. Mais ainda, através da caracterização dos módulos transcricionais, foi possível compreender dinamicamente os mecanismos moleculares envolvidos na resposta diferencial de Caco-2 aos dois isolados aqui estudados. STEC EH41 induz rapidamente a resposta inflamatória e apoptótica a partir da primeira hora de interação enterócito-bactéria. Por outro lado, células Caco-2 em contato com Ec472/01 ativam, a partir de uma hora, a fagocitose e, a partir da segunda hora, expressam moduladores da homeostase imune. A análise fenotípica das células Caco-2 mostrou, de forma nítida, uma maior destruição dos microvilos dos enterócitos em contato com EH41 do que com Ec472/01. Integrando os resultados genômicos e fenotípicos pode-se concluir que EH41 induz em Caco-2 - em comparação com Ec472/01 - maiores e mais rápidas alterações na expressão gênica global, além de uma resposta inflamatória e apoptótica excessiva, levando assim a alterações morfológicas mais pronunciadas nas células Caco-2. Em seu conjunto, esses resultados contribuem para uma melhor compreensão dos mecanismos moleculares envolvidos na patogenicidade das STECs associadas à SHU. Assim, as perspectivas de desenvolvimento deste trabalho deverão incluir a investigação de fatores de virulência e vias moleculares envolvidas na indução das respostas imunes que podem conduzir à SHU / Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) O113:H21 strains are associated with human diarrhea and some of these strains may cause hemolytic uremic syndrome (HUS). In Brazil O113:H21 strains are commonly found in cattle but, so far, were not isolated from HUS patients. Previously, our group conducted comparative gene co-expression network (GCN) analyses of two O113:H21 STEC strains: EH41, isolated from a HUS patient in Australia, and Ec472/01, isolated from bovine feces in Brazil. Differential transcriptome profiles for EH41 and Ec472/01 revealed a gene set exclusively expressed in EH41, which includes the dicA putative virulence factor regulator. GCN analysis showed that this set of genes constitutes an EH41 specific transcriptional module which may be associated to virulence factors. Therefore, in the present work a system biology approach was conducted to investigate the differential Caco-2 response - genomic and phenotypic - to EH41 (Caco-2/EH41) or to Ec472/01 (Caco- 2/Ec472) along enterocyte-bacteria interaction. The genomic analysis was based on temporal GCN data in order to gain a better understanding on the molecular mechanisms underlying the capacity to cause HUS. The phenotypic alterations in Caco-2 during enterocyte-bacteria interaction were assessed by scanning electronic microscopy (SEM). The genomic analysis showed that the molecular mechanism of Caco-2 response to EH41 or to Ec472/01 during enterocyte-bacteria interaction is clearly different. The GCN topological analyses for Caco-2/EH41 group revealed loss of the scale-free status after one hour of interaction, persistence of this condition along the second hour and establishment of a new gene hierarchy thereafter. These events resemble the network mechanism of health-disease transition. The new established network represents an adaptive cell response to the pathogen and not the return to a \"normal\" state. Conversely, the networks for Caco-2/Ec472 group showed a slow and progressive loss of the scale-free status without its restoration at the end of the time interval here studied. Through transcriptional module characterization it was possible to reveal the dynamic of the molecular mechanism involved in the Caco-2 differential responses to the STEC isolates. EH41 induces a rapid inflammatory and apoptotic response just after the first hour of enterocyte-bacteria interaction. Instead, the Caco-2 response to Ec472/01 is characterized by phagocytosis activation at the first hour, followed by the expression of immune response modulators after the second hour. SEM phenotypic analysis of Caco-2 cells along enterocyte-bacteria interaction showed more intense microvilli destruction in cells exposed to EH41, when compared to cells exposed to Ec472/01. The integration of genomic and phenotypic data allowed us to conclude that EH41, comparatively to Ec472/01, induces greater and precocious global gene expression alterations in Caco-2, what is related to excessive inflammatory and apoptotic responses. These responses are associated with the pronounced morphological alterations observed by SEM in Caco-2 cells exposed to EH41. Altogether, these results contribute for a better understanding of the molecular mechanism involved in STEC pathogenicity associated to HUS. Therefore, the future perspectives for the development of the present work should include the investigation of virulence factors and molecular pathways involved in the induction of immune responses leading to HUS

Neste trabalho, esclarecemos tópicos da patogenicidade de EIEC que sustentam a sua menor virulência quando comparada à S. flexneri, e mostramos a importância das células dendríticas (CD) nesse processo. Estudou-se o comportamento de EIEC e S. flexneri quando em contato com células Caco-2, avaliando-se uma cinética de expressão dos genes envolvidos na invasão e disseminação bacteriana. Em geral, todos os genes foram menos expressos em EIEC, fato corroborado pelo fenótipo de disseminação bacteriana, onde EIEC foi menos eficiente do que Shigella. Também foi avaliada a modulação da resposta inflamatória de células dendríticas intestinais murinas pela produção de citocinas, expressão de moléculas co-estimulatórias e apresentação de antígenos, após desafio das células com as bactérias. Os resultados sugerem que EIEC induz a uma resposta protetora ao hospedeiro, enquanto que Shigella estaria \"driblando\" o sistema imune, além de provavelmente super-estimular o sistema imune adaptativo, fato que poderia levar a um agravamento da doença. As ações integradas das células Caco-2, células dendríticas e estímulos bacterianos foram estudadas em co-cultura celular. Observou-se que EIEC e suas proteínas secretadas induzem a migração das CDs ao compartimento apical da co-cultura; nada foi observado quando o desafio se deu com Shigella. Também foram avaliadas as concentrações de citocinas inflamatórias no microambiente infeccioso formado. A citocina TNF-α, bem como CCL20 e MCP-1 foram mais proeminentes após estímulo com EIEC, fato que poderia explicar parcialmente a migração das CDs ao lado apical da co-cultura após estímulo com EIEC e suas proteínas secretadas. Nossas evidências experimentais indicam que a doença desencadeada por EIEC é mais restrita a um determinado local da infecção, ou seja, não é capaz de se disseminar a ponto de estender a lesão tecidual de forma mais drástica, como Shigella. Esse fenômeno pode estar associado à menor expressão de seus dos fatores de virulência e à resposta imune inata induzida no sítio de infecção, o que levaria, fatalmente, à resolução da doença. / In this study, we clarify topics of pathogenicity from EIEC that support its lower level of virulence when it is compared to S. flexneri, and we have shown the importance of dendritic cells (DC) in this process. We studied the conduct of EIEC and S. flexneri when they were in contact with Caco-2 cells and we analyzed the kinetics of the genes expression that was involved in the spread and invasion of the bacteria. In general, all genes were expressed less in EIEC, as demonstrated by the phenotype of the bacterial spread, where EIEC was less efficient than Shigella. We also analyzed the modulation of the inflammatory response by the murine intestinal dendritic cells by the production of cytokine, expression of co-stimulators molecules and antigens presentation, after the interaction of the cells with the bacteria. The results showed that EIEC induces a response that protects the host while Shigella manipulate the host intestinal innate and adaptive immune system and it probably over-stimulates the adaptive immune system which could let the disease worse. The integrated actions of Caco-2 cells, dendritic cells and bacterial stimulus, were studied in a co-culture cell. We observed that EIEC and its secreted proteins induce the migration of the DCs to the apical compartment of the co-culture; nothing was observed related to Shigella. We also evaluated the concentrations of the inflammatory cytokines at the infective micro environment that was formed. The cytokine TNF-α, as CCL20 and MCP-1 were more prominent after been stimulated with EIEC, a fact that could partially explain the migration of DCs to the apical side of the co-culture after the stimulus with EIEC and its secreted proteins. Our experimental evidence shows that the disease triggered by the EIEC is more restricted at a definite infection place, which means that it is not capable of disseminating beyond a certain point to extend the tissue\'s injury and let it worsen, as Shigella do. This phenomenon can be associated with the lower level of expression of its virulence factors and to the immune response induced in the infection site, what could finally lead to the eradication of the disease.