The human-bacterial pathogen interaction is a complex process that results from
a prolonged evolutionary arms race in the struggle for survival. The pathogen employs
virulence strategies to achieve host colonization, and the latter counteracts using defense
programs. The encounter of both organisms results in drastic physiological changes
leading to stress, which is an ancient response accompanying infection. Recent evidence
suggests that the stress response in the host converges with the innate immune pathways
and influences the outcome of infection. However, the contribution of stress and the exact
mechanism(s) of its involvement in host defense remain to be elucidated. Using the model
bacterial pathogen Shigella flexneri, and comparing it with the closely related pathogen
Salmonella Typhimurium, this study investigated the role of host stress in the outcome of
infection.
Shigella infection is characterized by a pronounced pro-inflammatory response
that causes intense stress in host tissues, particularly the intestinal epithelium, which
constitutes the first barrier against Shigella colonization. In this study, inflammatory
stress was simulated in epithelial cells by inducing oxidative stress, hypoxia, and cytokine
stimulation. Shigella infection of epithelial cells exposed to such stresses was strongly
inhibited at the adhesion/binding stage. This resulted from the depletion of sphingolipidrafts
in the plasma membrane by the stress-activated sphingomyelinases. Interestingly,
Salmonella adhesion was not affected, by virtue of its flagellar motility, which allowed the
gathering of bacteria at remaining membrane rafts. Moreover, the intracellular replication
of Shigella lead to a similar sphingolipid-raft depletion in the membrane across adjacent
cells inhibiting extracellular bacterial invasion.
Additionally, this study shows that Shigella infection interferes with the host stress
granule-formation in response to stress. Interestingly, infected cells exhibited a nuclear
depletion of the global RNA-binding stress-granule associated proteins TIAR and TIA-1
and their accumulation in the cytoplasm.
Overall, this work investigated different aspects of the host stress-response in the
defense against bacterial infection. The findings shed light on the importance of the host
stress-pathways during infection, and improve the understanding of different strategies
in host-pathogen interaction. / Die Interaktion von Mensch und bakteriellem Krankheitserreger ist ein komplexer Prozess, der aus dem anhaltenden evolutionären Wettrüsten im Kampf ums Überleben resultiert. Der Erreger setzt Virulenzstrategien zur Kolonisierung des Wirtes ein und dieser nutzt Verteidigungsprogramme um dem entgegenzuwirken. Die Begegnung der beiden Organismen resultiert in drastischen physiologischen Veränderungen, welche zu Stress führen, der eine klassische infektionsbegleitende Reaktion ist.
Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Stressantwort des Wirtes mit den Signalwegen der angeborenen Immunantwort konvergiert und im Ergebnis die Infektion beeinflusst. Jedoch bleiben die Bedeutung des Stresses und der exakte Mechanismus wie Stress an der Verteidigung des Wirtes beteiligt ist, noch zu klären. In dieser Studie dienten der bakterielle Krankheitserreger Shigella flexneri und vergleichend dazu der nah verwandte Erreger Salmonella Typhimurium als Modellorganismen, um die Rolle von Wirtszellstress für den Ausgang der Infektion zu untersuchen.
Die Infektion mit Shigellen ist durch eine ausgeprägte pro-inflammatorische Reaktion gekennzeichnet. Diese versursacht in den Wirtsgeweben, insbesondere im Darmepithel, einen starken Stress, der die erste Barriere gegen die Besiedelung mit Shigellen darstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde entzündlicher Stress in Epithelzellen durch die Induktion von oxidativem Stress, Hypoxie und Zytokinstimulation simuliert. Die Shigelleninfektion von Epithelzellen, die solchen Belastungen ausgesetzt waren, war stark im Adhäsions-/ Bindungsstadium gehemmt. Dies resultierte aus der Verarmung von Sphingolipidflößen in der Plasmamembran durch stressaktivierte Sphingomyelinasen. Interessanterweise wurde die Adhäsion von Salmonellen, aufgrund ihrer Flaggellenvermittelten Beweglichkeit, nicht beeinträchtigt und ermöglichte so die Ansammlung von Bakterien an den verbleibenden Membranflößen. Darüber hinaus führte die intrazelluläre Replikation von Shigellen zu einer ähnlichen Verminderung von Sphingolipidflößen in der Membran benachbarter Zellen, wodurch die extrazelluläre bakterielle Invasion gehemmt wurde.
Zusätzlich zeigt diese Studie, dass eine Infektion mit Shigellen mit der Bildung von Stressgranula in der Wirtszelle interferiert. Interessanterweise zeigten infizierte Zellen eine nukleäre Depletion der globalen RNA-bindenden und Stressgranula assoziierten Proteine TIAR und TIA-1 sowie deren Akkumulation im Zytoplasma.
Insgesamt untersuchte diese Arbeit verschiedene Aspekte der Stressreaktion der Wirtszelle bei der Verteidigung gegen bakterielle Infektionen. Die Ergebnisse beleuchten die Bedeutung der Stresssignalwege im Wirt während der Infektion und verbessern das Verständnis der verschiedenen Strategien in der Interaktion von Wirt und Krankheitserreger.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:15110 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Tawk [Taouk], Caroline S. |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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