Sự bám dính của Salmonella bị giảm do hypoxia do sự tương tác giữa các cấu trúc bám dính và vận động

Krzysztof Grzymajło1, Agata Dutkiewicz1, Joanna Czajkowska1, Ewa Carolak1, Adrianna Aleksandrowicz1, Wiktoria Waszczuk1
1Faculty of Veterinary Medicine, Department of Biochemistry and Molecular Biology, Wrocław University of Environmental and Life Sciences, Wrocław, Poland

Tóm tắt

Tóm tắtGiai đoạn đầu của sự nhiễm trùng Salmonella Typhimurium liên quan đến một loạt các sự kiện phối hợp nhằm đạt được, bám dính vào và xâm nhập vào tế bào chủ. Các yếu tố độc lực như lông roi, sợi pili và hệ thống tiết đóng vai trò quan trọng trong những sự kiện này và được điều chỉnh để đáp ứng với môi trường của chủ thể. Điểm tiếp xúc đầu tiên giữa tác nhân gây bệnh và chủ thể là lớp biểu mô ruột, điều này thường được coi là một rào cản chống lại các tác nhân gây bệnh xâm nhập, nhưng cũng có thể là một nơi thâm nhập cho các tác nhân gây bệnh. Tính toàn vẹn của rào cản này có thể được điều chỉnh bởi môi trường thiếu oxy của ruột, được tạo ra bởi sự hiện diện của hàng triệu vi sinh vật. Nồng độ oxy biến thiên có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến nhiều chức năng của ruột, bao gồm sự tiết cytokine và yếu tố tăng trưởng từ vị trí của chủ thể và ảnh hưởng đến khả năng của Salmonella tồn tại, xâm nhập và tái sinh. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã điều tra các giai đoạn đầu tiên của sự nhiễm trùng Salmonella Typhimurium trong điều kiện thiếu oxy trong ống nghiệm và phát hiện rằng mức oxy thấp làm giảm đáng kể sự bám dính của vi khuẩn. Thông qua việc sử dụng các thử nghiệm bám dính và vận động, các xét nghiệm hình thành biofilm, cũng như phân tích biểu hiện gen và sự tiết cytokine, chúng tôi đã xác định được sự tương tác cụ thể với hypoxia giữa biểu hiện sợi pili loại 1 và lông roi, gợi ý rằng việc thay đổi mức độ biểu hiện flagellin ảnh hưởng đến sự vận động của vi khuẩn và ảnh hưởng đến mức độ bám dính, khả năng hình thành biofilm và phản ứng miễn dịch bẩm sinh của chúng. Tóm lại, hiểu cách mà Salmonella tương tác với môi trường chủ thể biến đổi cung cấp cái nhìn sâu sắc về các cơ chế độc lực của vi khuẩn và thông tin liên quan đến các chiến lược phòng ngừa hoặc điều trị nhiễm trùng. Cần có thêm nghiên cứu để hiểu đầy đủ mối quan hệ tương tác phức tạp giữa Salmonella và môi trường chủ thể của nó.

Từ khóa

#Salmonella #nhiễm trùng #bám dính vi khuẩn #hypoxia #cơ chế độc lực #phản ứng miễn dịch

Tài liệu tham khảo

Lou L, Zhang P, Piao R, Wang Y (2019) Salmonella pathogenicity island 1 (SPI-1) and its complex regulatory network. Front Cell Infect Microbiol 9:270

Saini S, Slauch JM, Aldridge PD, Rao CV (2010) Role of cross talk in regulating the dynamic expression of the flagellar Salmonella pathogenicity island 1 and type 1 fimbrial genes. J Bacteriol 192:5767–5777. https://doi.org/10.1128/JB.00624-10

Kolenda R, Ugorski M, Grzymajlo K (2019) everything you always wanted to know about Salmonella type 1 fimbriae, but were afraid to ask. Front Microbiol 10:1017. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01017

Haiko J, Westerlund-Wikström B (2013) The role of the bacterial flagellum in adhesion and virulence. Biology 2:1242–1267

Duan Q, Zhou M, Zhu L, Zhu G (2013) Flagella and bacterial pathogenicity. J Basic Microbiol 53:1–8. https://doi.org/10.1002/jobm.201100335

Horstmann JA, Lunelli M, Cazzola H, Heidemann J, Kühne C, Steffen P, Szefs S, Rossi C, Lokareddy RK, Wang C, Lemaire L, Hughes KT, Uetrecht C, Schlüter H, Grassl GA, Stradal TEB, Rossez Y, Kolbe M, Erhardt M (2020) Methylation of Salmonella Typhimurium flagella promotes bacterial adhesion and host cell invasion. Nat Commun 11:2013. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15738-3

Grzymajlo K, Ugorski M, Suchanski J, Kedzierska AE, Kolenda R, Jarzab A, Biernatowska A, Schierack P (2017) The novel type 1 fimbriae FimH receptor calreticulin plays a role in Salmonella host specificity. Front Cell Infect Microbiol 7:326. https://doi.org/10.3389/fcimb.2017.00326

Grzymajło K, Ugorski M, Kolenda R, Kędzierska A, Kuźmińska-Bajor M, Wieliczko A (2013) FimH adhesin from host unrestricted Salmonella Enteritidis binds to different glycoprotein ligands expressed by enterocytes from sheep, pig and cattle than FimH adhesins from host restricted Salmonella Abortus-ovis, Salmonella Choleraesuis and Salmonella Dublin. Vet Microbiol 166:550–557. https://doi.org/10.1016/j.vetmic.2013.07.004

Grzymajło K, Kuźmińska-Bajor M, Jaworski J, Dobryszycki P, Ugorski M (2010) The high-adhesive properties of the FimH adhesin of Salmonella enterica serovar Enteritidis are determined by a single F118S substitution. Microbiology 156:1738–1748. https://doi.org/10.1099/mic.0.039206-0

Kisiela DI, Chattopadhyay S, Libby SJ, Karlinsey JE, Fang FC, Tchesnokova V, Kramer JJ, Beskhlebnaya V, Samadpour M, Grzymajlo K, Ugorski M, Lankau EW, Mackie RI, Clegg S, Sokurenko EV (2012) Evolution of Salmonella enterica virulence via point mutations in the fimbrial adhesin. PLoS Pathog 8:e1002733. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1002733

Salazar-Gonzalez RM, McSorley SJ (2005) Salmonella flagellin, a microbial target of the innate and adaptive immune system. Immunol Lett 101:117–122

Kuźmińska-Bajor M, Grzymajło K, Ugorski M (2015) Type 1 fimbriae are important factors limiting the dissemination and colonization of mice by Salmonella Enteritidis and contribute to the induction of intestinal inflammation during Salmonella invasion. Front Microbiol 6:276. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00276

Kim SH, Wei CI (2009) Molecular characterization of biofilm formation and attachment of Salmonella enterica serovar typhimurium DT104 on food contact surfaces. J Food Prot 72:9. https://doi.org/10.4315/0362-028X-72.9.1841

Kubori T, Matsushima Y, Nakamura D, Uralil J, Lara-Tejero M, Sukhan A, Galán JE, Aizawa SI (1998) Supramolecular structure of the Salmonella typhimurium type III protein secretion system. Science 280:602–605. https://doi.org/10.1126/science.280.5363.602

Zhou D, Galán J (2001) Salmonella entry into host cells: the work in concert of type III secreted effector proteins. Microbes Infect 3:1293–1298

Singhal R, Shah YM (2020) Oxygen battle in the gut: hypoxia and hypoxia-inducible factors in metabolic and inflammatory responses in the intestine. J Biol Chem 295:10493–10505

Wrande M, Vestö K, Puiac Banesaru S, Anwar N, Nordfjell J, Liu L, McInerney GM, Rhen M (2020) Replication of Salmonella enterica serovar Typhimurium in RAW264.7 phagocytes correlates with hypoxia and lack of iNOS expression. Front Cell Infect Microbiol 10:537782. https://doi.org/10.3389/fcimb.2020.537782

Zeitouni NE, Chotikatum S, von Köckritz-Blickwede M, Naim HY (2016) The impact of hypoxia on intestinal epithelial cell functions: consequences for invasion by bacterial pathogens. Mol Cell Pediatr 3:14. https://doi.org/10.1186/s40348-016-0041-y

Furuta GT, Turner JR, Taylor CT, Hershberg RM, Comerford K, Narravula S, Podolsky DK, Colgan SP (2001) Hypoxia-inducible factor 1-dependent induction of intestinal trefoil factor protects barrier function during hypoxia. J Exp Med 193:1027–1034. https://doi.org/10.1084/jem.193.9.1027

Litvak Y, Mon KKZ, Nguyen H, Chanthavixay G, Liou M, Velazquez EM, Kutter L, Alcantara MA, Byndloss MX, Tiffany CR, Walker GT, Faber F, Zhu Y, Bronner DN, Byndloss AJ, Tsolis RM, Zhou H, Bäumler AJ (2019) Commensal enterobacteriaceae protect against Salmonella colonization through oxygen competition. Cell Host Microbe 25:1027–1034. https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.12.003

Jennewein J, Matuszak J, Walter S, Felmy B, Gendera K, Schatz V, Nowottny M, Liebsch G, Hensel M, Hardt WD, Gerlach RG, Jantsch J (2015) Low-oxygen tensions found in Salmonella-infected gut tissue boost Salmonella replication in macrophages by impairing antimicrobial activity and augmenting Salmonella virulence. Cell Microbiol 17:1833–1847. https://doi.org/10.1111/cmi.12476

García-Bayona L, Coyne MJ, Hantman N, Montero-Llopis P, Von SS, Ito T, Malamy MH, Basler M, Barquera B, Comstock LE (2020) Nanaerobic growth enables direct visualization of dynamic cellular processes in human gut symbionts. Proc Natl Acad Sci U S A 117:24489–24493. https://doi.org/10.1073/pnas.2009556117

Grzymajlo K (2022) The game for three: Salmonella–host–microbiota interaction models. Front Microbiol 13:854112

Greijer AE, van der Groep P, Kemming D, Shvarts A, Semenza GL, Meijer GA, van de Wiel MA, Belien JAM, van Diest PJ, van der Wall E (2005) Up-regualtion of gene expression by hypoxia is mediated predominantly by hypoxia-inducible factor I (HIF-I). J Pathol 206:291–304. https://doi.org/10.1002/path.1778

Saeedi BJ, Kao DJ, Kitzenberg DA, Dobrinskikh E, Schwisow KD, Masterson JC, Kendrick AA, Kelly CJ, Bayless AJ, Kominsky DJ, Campbell EL, Kuhn KA, Furuta GT, Colgan SP, Glover LE (2015) HIF-dependent regulation of claudin-1 is central to intestinal epithelial tight junction integrity. Mol Biol Cell 26:12. https://doi.org/10.1091/mbc.E14-07-1194

Nizet V, Johnson RS (2009) Interdependence of hypoxic and innate immune responses. Nat Rev Immunol 9:609–617

Klasa B, Kędzierska AE, Grzymajło K (2020) Pre-growth culture conditions affect type 1 fimbriae-dependent adhesion of Salmonella. Int J Mol Sci 21:12. https://doi.org/10.3390/ijms21124206

Saini S, Pearl JA, Rao CV (2009) Role of FimW, FimY, and FimZ in regulating the expression of type I fimbriae in Salmonella enterica serovar Typhimurium. J Bacteriol 191:3003–3010. https://doi.org/10.1128/JB.01694-08

Huang FC (2012) Regulation of Salmonella flagellin-induced interleukin-8 in intestinal epithelial cells by muramyl dipeptide. Cell Immunol 278:1–9. https://doi.org/10.1016/j.cellimm.2012.06.013

Yu Y, Zeng H, Lyons S, Carlson A, Merlin D, Neish AS, Gewirtz AT (2003) TLR5-mediated activation of p38 MAPK regulates epithelial IL-8 expression via posttranscriptional mechanism. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 285:G282–G290. https://doi.org/10.1152/ajpgi.00503.2002

Stecher B, Maier L, Hardt WD (2013) “Blooming” in the gut: how dysbiosis might contribute to pathogen evolution. Nat Rev Microbiol 11:277–284

Donaldson GP, Lee SM, Mazmanian SK (2015) Gut biogeography of the bacterial microbiota. Nat Rev Microbiol 14:20–32

Klasvogt S, Zuschratter W, Schmidt A, Kröber A, Vorwerk S, Wolter R, Isermann B, Wimmers K, Rothkötter H-J, Nossol C (2017) Air–liquid interface enhances oxidative phosphorylation in intestinal epithelial cell line IPEC-J2. Cell Death Discov 3:17001. https://doi.org/10.1038/cddiscovery.2017.1

Fisher EM, Khan M, Salisbury R, Kuppusamy P (2013) Noninvasive monitoring of small intestinal oxygen in a rat model of chronic mesenteric ischemia. Cell Biochem Biophys 67:451–459. https://doi.org/10.1007/s12013-013-9611-y

Muenchau S, Deutsch R, de Castro IJ, Hielscher T, Heber N, Niesler B, Lusic M, Stanifer ML, Boulant S (2019) Hypoxic environment promotes barrier formation in human intestinal epithelial cells through regulation of microRNA 320a expression. Mol Cell Biol 39:e00553-e618. https://doi.org/10.1128/mcb.00553-18

Jantsch J, Schödel J (2015) Hypoxia and hypoxia-inducible factors in myeloid cell-driven host defense and tissue homeostasis. Immunobiology 220:305–314

Yue M, Rankin SC, Blanchet RT, Nulton JD, Edwards RA, Schifferli DM (2012) Diversification of the Salmonella fimbriae: a model of macro- and microevolution. PLoS ONE 7:e38596. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0038596

Guo A, Cao S, Tu L, Chen P, Zhang C, Jia A, Yang W, Liu Z, Chen H, Schifferli DM (2009) FimH alleles direct preferential binding of Salmonella to distinct mammalian cells or to avian cells. Microbiology 155:1623–1633. https://doi.org/10.1099/mic.0.026286-0

Clegg S, Hughes KT (2002) FimZ is a molecular link between sticking and swimming in Salmonella enterica serovar typhimurium. J Bacteriol 184:1209–1213. https://doi.org/10.1128/jb.184.4.1209-1213.2002

Baxter MA, Jones BD (2005) The fimYZ genes regulate Salmonella enterica serovar Typhimurium invasion in addition to type 1 fimbrial expression and bacterial motility. Infect Immun 73:3. https://doi.org/10.1128/IAI.73.3.1377-1385.2005

Silverman M, Simon M (1980) Phase variation: genetic analysis of switching mutants. Cell 19:845–854. https://doi.org/10.1016/0092-8674(80)90075-6

Elhadad D, Desai P, Rahav G, McClelland M, Gal-Mor O (2015) Flagellin is required for host cell invasion and normal Salmonella pathogenicity island 1 expression by Salmonella enterica serovar Paratyphi A. Infect Immun 83:3355–3368. https://doi.org/10.1128/IAI.00468-15

Yamaguchi T, Toma S, Terahara N, Miyata T, Ashihara M, Minamino T, Namba K, Kato T (2020) Structural and functional comparison of salmonella flagellar filaments composed of FljB and FliC. Biomolecules 10:246. https://doi.org/10.3390/biom10020246

Bogomolnaya LM, Aldrich L, Ragoza Y, Talamantes M, Andrews KD, McClelland M, Andrews-Polymenis HL (2014) Identification of novel factors involved in modulating motility of Salmonella enterica serotype typhimurium. PLoS ONE 9:e0111513. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0111513

Rossez Y, Wolfson EB, Holmes A, Gally DL, Holden NJ (2015) Bacterial flagella: twist and stick, or dodge across the kingdoms. PLoS Pathog 11:e1004483. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1004483

Schroll C, Barken KB, Krogfelt KA, Struve C (2010) Role of type 1 and type 3 fimbriae in Klebsiella pneumoniae biofilm formation. BMC Microbiol 10:179. https://doi.org/10.1186/1471-2180-10-179

Lasaro MA, Salinger N, Zhang J, Wang Y, Zhong Z, Goulian M, Zhu J (2009) F1C fimbriae play an important role in biofilm formation and intestinal colonization by the Escherichia coli commensal strain Nissle 1917. Appl Environ Microbiol 75:246–251. https://doi.org/10.1128/AEM.01144-08

Ong CLY, Ulett GC, Mabbett AN, Beatson SA, Webb RI, Monaghan W, Nimmo GR, Looke DF, McEwan AG, Schembri MA (2008) Identification of type 3 fimbriae in uropathogenic Escherichia coli reveals a role in biofilm formation. J Bacteriol 190:1054–1063. https://doi.org/10.1128/JB.01523-07

Zeng H, Carlson AQ, Guo Y, Yu Y, Collier-Hyams LS, Madara JL, Gewirtz AT, Neish AS (2003) Flagellin is the major proinflammatory determinant of enteropathogenic Salmonella. J Immunol 171:3668–3674. https://doi.org/10.4049/jimmunol.171.7.3668

Vijay-Kumar M, Aitken JD, Gewirtz AT (2008) Toll like receptor-5: Protecting the gut from enteric microbes. Semin Immunopathol 30:11–21

Gewirtz AT, Navas TA, Lyons S, Godowski PJ, Madara JL (2001) Cutting edge: bacterial flagellin activates basolaterally expressed TLR5 to induce epithelial proinflammatory gene expression. J Immunol 167:1882–1885. https://doi.org/10.4049/jimmunol.167.4.1882

Huber AR, Kunkel SL, Todd RF, Weiss SJ (1991) Regulation of transendothelial neutrophil migration by endogenous interleukin-8. Science 254:99–102. https://doi.org/10.1126/science.1718038

Florczyk U, Czauderna S, Stachurska A, Tertil M, Nowak W, Kozakowska M, Poellinger L, Jozkowicz A, Loboda A, Dulak J (2011) Opposite effects of HIF-1α and HIF-2α on the regulation of IL-8 expression in endothelial cells. Free Radic Biol Med 51:1882–1892. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2011.08.023

Robrahn L, Dupont A, Jumpertz S, Zhang K, Holland CH, Guillaume J, Rappold S, Roth J, Cerovic V, Saez-Rodriguez J, Hornef MW, Cramer T (2022) Stabilization but no functional influence of HIF-1a expression in the intestinal epithelium during Salmonella Typhimurium infection. Infect Immun 90:e0022221. https://doi.org/10.1128/iai.00222-21

Jacobson A, Lam L, Rajendram M, Tamburini F, Honeycutt J, Pham T, Van Treuren W, Pruss K, Stabler SR, Lugo K, Bouley DM, Vilches-Moure JG, Smith M, Sonnenburg JL, Bhatt AS, Huang KC, Monack D (2018) A gut commensal-produced metabolite mediates colonization resistance to Salmonella infection. Cell Host Microbe 24:296-307.e7. https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.07.002

Martínez-García E, de Lorenzo V (2011) Engineering multiple genomic deletions in Gram-negative bacteria: analysis of the multi-resistant antibiotic profile of Pseudomonas putida KT2440. Environ Microbiol 13(10):2702–2716. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2011.02538.x