The autophagy pathway is an essential component of the innate immune response, capable of rapidly targeting intracellular bacteria, which are subsequently degraded by lysosomal enzymes. Recent work has begun to elucidate the regulatory signalling for autophagy induction in response to pathogenic bacteria. However, the initial signalling regulating autophagy induction in response to the detection of pathogens remains largely unclear. Here we report that AMPK, an important upstream activator of the autophagy pathway, is rapidly stimulated upon detection of pathogenic bacteria, prior to bacterial invasion. Bacterial recognition is initially achieved through detection of outer membrane vesicles (OMVs). Additionally, we show that AMPK signalling relieves mTORC1-mediated repression of the autophagy pathway in response to Salmonella infection, positioning the cell for a rapid induction of autophagy. Surprisingly, we found that the activation of AMPK and inhibition of mTORC1 in response to extracellular Salmonella are not accompanied by an induction of bulk autophagy. However, upon Salmonella invasion AMPK signalling is required for efficient and selective targeting of bacteria-containing vesicles by the autophagy pathway through activation of pro-autophagic kinase complexes. Collectively, these results demonstrate a key role for AMPK signalling in coordinating the rapid autophagic response prior to invasion of pathogenic bacteria.

Autophagy is a highly regulated catabolic pathway that is potently induced by stressors including starvation and infection. An essential component of the autophagy pathway is an ATG16L1-containing E3-like enzyme, which is responsible for lipidating LC3B and driving autophagosome formation. ATG16L1 polymorphisms have been linked to the development of Crohn’s disease (CD) and phosphorylation of CD-associated ATG16L1 (caATG16L1) has been hypothesized to contribute to cleavage and autophagy dysfunction. Here we show that ULK1 kinase directly phosphorylates ATG16L1 in response to infection and starvation. Moreover, we show that ULK1-mediated phosphorylation drives the destabilization of caATG16L1 in response to stress. Additionally, we found that phosphorylated ATG16L1 was specifically localized to the site of internalized bacteria indicating a role for ATG16L1 in the promotion of anti-bacterial autophagy. Lastly, we show that stable cell lines harbouring a phospho-dead mutant of ATG16L1 have impaired xenophagy. In summary, our results show that ATG16L1 is a novel target of ULK1 kinase and that ULK1-signalling to ATG16L1 is a double-edged sword, enhancing function of the wildtype ATG16L1, but promoting degradation of caATG16L1.

Advances in next-generation sequencing and ribosomal profiling methods highlight that the proteome is likely orders of magnitude larger than previously thought. This expansion potentially occurs through translational recoding, a process that results in the expression of multiple variations of a protein from a single messenger RNA. Our laboratory demonstrated that cyclooxygenase-3/1b (COX-3/1b), a frameshifted, intron-1-retaining, alternative splice variant from the COX-1 gene, is multiply recoded, which results in the translation of at least seven different COX-3 proteins. Two of the recoded COX-3 proteins that we identified are active prostaglandin synthases and are inhibited by non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs). Here we show that the other non-prostaglandin-generating recoded COX-3 proteins perform new roles in innate immunity, a process in which COX are known to generally function. Our analyses determined that these recoded COX-3 proteins bind at or near the amino-terminal region of ATG9a, a critical regulator of both canonical (i.e. digestive autophagy associated with mTORc inhibition and nutrient deprivation) and non-canonical (i.e. xenophagy involved in the innate immune response to invading organisms) autophagy. We further show that this process requires mTORc signaling activity, which opposes the digestive pathway. As a final confirmation of the biological relevance of these recoded COX-3 proteins and their central role in xenophagy, we demonstrate that expression of these COX-3 proteins in an encephalomyocarditis virus infection model system differentially affects infectious virion production. These COX-3 proteins also associate with recoded cytosolic nucleobindin around large, innate immune-related, large LC3-II positive structures (LLPSs). Through mutagenizing catalytic residues of recoded COX-3 proteins and drug assays, we determine LLPS formation is dependent on oxylipin generation.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22308号 / 医博第4549号 / 新制||医||1040(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 竹内 理, 教授 長尾 美紀, 教授 杉田 昌彦 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23063号 / 医博第4690号 / 新制||医||1048(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 岩田 想, 教授 長尾 美紀, 教授 秋山 芳展 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23605号 / 医博第4792号 / 新制||医||1055(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 長尾 美紀, 教授 竹内 理, 教授 秋山 芳展 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

La maladie de Crohn (MC) est une maladie inflammatoire chronique intestinale (MICI). Son incidence et sa prévalence ont augmenté en Europe au cours des dix dernières années (150 pour 100000 habitants) constituant ainsi un problème de santé majeur. L’inflammation chronique dans la MC favorise la mise en place d’une angiogenèse pathophysiologique. Inflammation et angiogenèse sont deux réponses cellulaires suspectées dans la survenue des cancers coliques associés au MICI. Même si les facteurs favorisant la mise en place de la MC restent non élucidés, la contribution des bactéries exogènes est fortement suspectée. Parmi ces bactéries, les E.coli adhérentes et invasives (AIEC), isolées à partir de la muqueuse iléale de patients porteurs de la MC, sont un bon candidat. Les objectifs de mon projet de thèse étaient de caractériser les mécanismes moléculaires induits par les AIEC et impliqués dans la mise en place des réponses pro inflammatoire et pro angiogénique des cellules intestinales épithéliales. Le facteur de transcription hypoxique (HIF-1) est au cœur de l’immunité innée et de l’angiogenèse. J’ai émis l’hypothèse que les AIEC pouvaient moduler le niveau d’expression de HIF-1α et ainsi contrôler les réponses pro inflammatoire et pro angiogénique. Dans mon premier article, j’ai montré que HIF-1α est maximalement exprimé au niveau de l’épithélium iléal des patients porteurs de la MC. Ensuite, j’ai montré sur un modèle murin compétent pour l’infection par les AIEC, les souris CEABAC10, que les bactéries induisent l’augmentation du niveau protéique de HIF-1 α ainsi que l’activation de la voie de signalisation du VEGF, le facteur angiogénique le plus puissant. / Non communiqué.

La xénophagie est une forme d'autophagie sélective permettant de capture des pathogènes dans les autophagosomes et de les dégrader dans les autolysosomes. Cette sélectivité est assurée par une famille de protéines ; les récepteurs autophagiques qui reconnaissent des substrats cytosoliques d'un côté et les membres de la famille LC3 ancrés dans la membrane de l'autophagosome de l'autre. Parmi ces récepteurs, NDP52 cible la bactérie Salmonella Typhimurium vers l'autophagie.Nous décrivons un rôle nouveau et inattendu pour NDP52 ; assurer la maturation d'autophagosomes durant l'infection par Salmonella mais aussi durant l'autophagie basale. De manière intéressante, ce rôle de NDP52 dans la maturation est indépendant de son rôle dans le ciblage de la bactérie puisque ces fonctions nécessitent des domaines et des partenaires moléculaires de NDP52 distincts. Nous montrons aussi que d'autres récepteurs peuvent participer à la maturation comme Optineurine. Ce travail montre donc que NDP52 assure deux rôles durant la xénophagie en ciblant les bactéries vers les autophagosomes en formation puis en promouvant la maturation de l'autophagosome. De plus, nous proposons aussi un possible mécanisme de régulation de ces deux fonctions par des modifications post-traductionnelles des récepteurs autophagiques.Ce travail démontre que les récepteurs autophagiques jouent des rôles au-delà du ciblage des pathogènes qui sont aussi cruciaux pour une xénophagie efficace. De plus, les récepteurs autophagiques sont aussi nécessaires pour le déroulement de l'autophagie basale. Ces travaux offrent une nouvelle compréhension de la régulation moléculaire de l'autophagie et de la xénophagie / Xenophagy relies on the ability of the autophagy process to selectively entrap intracellular pathogens within autophagosomes to degrade them into autolysosomes. The selectivity of the process relies on proteins named autophagy receptors that share the ability to recognise cytosolic cargos on one hand and autophagosome-bound members of the ATG8 family on the other. Among autophagy receptors NDP52 has been described to target Salmonella Typhimurium to the growing autophagosome. We describe a new unexpected role for NDP52, as this receptor also regulates the maturation of Salmonella-containing autophagosomes and during ongoing autophagy. Interestingly, the role of NDP52 in maturation is independent from its role in targeting as they rely on different binding domains and protein partners. We also show that other autophagy receptors also mediate autophagosome maturation such as Optineurin. Therefore, our work shows that NDP52 plays a dual function during xenophagy first by targeting bacteria to growing autophagosomes and then by assuring autophagosome maturation. Moreover, we also provide insights as to how these dual roles are regulated by post-translational modifications of autophagy receptors.This work demonstrates that autophagy receptors have other roles beyond pathogen targeting that are also crucial for an efficient xenophagy. Moreover, autophagy receptors are also necessary for autophagy completion in uninfected cells. These results strengthen our understanding of both ongoing autophagy and xenophagy molecular mechanisms