Rickettsia-Macrophage Tropism: a link to rickettsial phatogenicity?

Abstract

Members of the genus Rickettsia are obligate intracellular bacteria that are transmitted to humans by arthropod vectors, causing severe human infections like epidemic typhus (Rickettsia prowazekii), Rocky Mountain spotted fever (Rickettsia rickettsii), and Mediterranean spotted fever (Rickettsia conorii). Although the role of endothelial cells during rickettsioses is well studied and established, no functional role in promoting the development of rickettsial diseases has been attributed to cells other than the endothelium. Using several animal models, different research groups have demonstrated the presence of intact bacteria within macrophages and neutrophils, raising several questions about the role of phagocytic cells in rickettsial diseases. Moreover, over 40 years ago, it was demonstrated that typhus group Rickettsia strains with different levels of virulence possessed distinct abilities to proliferate in macrophage cell cultures. However, these findings remained unexplored, and the attributes that distinguish pathogenic and non-pathogenic rickettsial species continued elusive. In this work, we demonstrate that two members of spotted fever group Rickettsia with different pathogenicity attributes to humans have completely distinct intracellular fates within THP-1 macrophages. More specifically, the pathogenic R. conorii can survive and proliferate in these phagocytic cells, whereas the non-pathogenic R. montanensis is rapidly destroyed. Therefore, these findings have raised several provocative questions including the possibility that pathogenicity in rickettsial species may be correlated with the ability to proliferate in macrophages, thereby positioning macrophages as central players in the development of rickettsial diseases. Thus, the understanding of the molecular determinants involved in the rickettsiae-macrophage interface is critical to a better understanding of the disease. Interestingly, we provide evidence that the two members of SFG Rickettsia species (R. conorii and R. montanensis) differentially target different host signaling components during the entry process. Remarkably, we have identified P21-activated kinase (PAK1) as a core host factor for R. conorii entry into macrophage-like cells, together with an unrecognized sensitivity to amiloride compounds such as DMA, EIPA, and zoniporide which, combined, are key hallmarks of macropinocytosis. Collectively, our findings suggest that R. conorii uses a novel PAK-NHE-TK-dependent macropinocytosis-like mechanism to invade macrophage-like cells, which may contribute to rickettsiae tropism in macrophages. Moreover, the work herein presented also demonstrated that very early in infection, R. conorii can substantially reprogram multiple signaling pathways to escape host immune defenses and establish its replicative niche in macrophage-like cells (in sharp contrast with R. montanensis). In addition to the modulation of host inflammatory responses and proteasome function, which may help the bacteria to escape immune defenses and surveillance, the pathogenic R. conorii was also able to specifically modulate pro-survival and ER stress response pathways to maintain the integrity of its replicative niche. Furthermore, our results also suggest that R. conorii takes advantage of the high metabolic plasticity of macrophages to substantially reprogram several host cell metabolic pathways, rendering the intracellular environment apparently more favorable for Rickettsia replication. The capacity of R. conorii to interfere with this multiplicity of host functions, likely stems from the observed modulation of the expression of several gene expression modulators such as non-coding RNAs and transcription factors, which may substantially affect transcriptional programs during infection in macrophage-like cells. Overall, these findings provide the research community with novel insights on the molecular attributes that help distinguishing pathogenicity requirements between rickettsial species. With this work, we revealed the sophisticated molecular strategies employed by the pathogenic R. conorii to modulate host cellular functions to establish its replicative niche in macrophages, contributing to a better understanding of the disease. We firmly believe that this work not only helps to position infection of macrophages as a central node in the development of rickettsial diseases but also opens several avenues of research in host-pathogen interactions that may contribute to the development of alternative and more efficacious therapies for intracellular bacterial infections.

Os membros do género Rickettsia são bactérias intracelulares obrigatórias, cuja transmissão a humanos pode ocorrer através de vetores artrópodes. São responsáveis por infeções severas, das quais se destacam a febre maculosa das montanhas rochosas (Rickettsia rickettsii) e a febre escaro-nodular (Rickettsia conorii). Embora o papel das células endoteliais no desenvolvimento de doenças provocadas por Rickettsia esteja bem estudado, nenhuma função foi até agora atribuída a outros tipos celulares para o desenvolvimento da infeção. Contudo, evidências obtidas em modelos animais demonstraram a presença de bactérias intactas em vários tipos de células, tais como macrófagos, neutrófilos e hepatócitos, levantando diversas questões acerca da função desempenhada por estas células no desenvolvimento de rickettsioses. Curiosamente, evidências experimentais com mais de quarenta anos mostram que estirpes de Rickettsia do grupo tifo, com diferentes graus de patogenicidade em humanos, apresentam padrões de crescimento distintos em culturas celulares de macrófagos. No entanto, estes resultados permaneceram por explorar e os mecanismos moleculares que definem e distinguem patogenicidade entre espécies do género Rickettsia continuam por esclarecer. Este trabalho mostra que duas espécies de Rickettsia do grupo das febres exantemáticas, com diferentes graus de patogenicidade em humanos, também apresentam fenótipos intracelulares distintos em células THP-1 diferenciadas em macrófagos. Especificamente, a bactéria patogénica (R. conorii) sobrevive e prolifera dentro destas células fagocitárias, enquanto que a bactéria não patogénica (R. montanensis) é rapidamente eliminada. Estes resultados reforçam uma possível correlação entre patogenicidade no género Rickettsia e a capacidade de sobreviver e proliferar em macrófagos, e sugerem o reposicionamento dos macrófagos como elementos centrais no desenvolvimento da infeção. Assim, o estudo detalhado dos mecanismos moleculares que regulam a interação de bactérias do género Rickettsia com macrófagos é fundamental para uma melhor compreensão da doença. Usando R. conorii e R. montanensis como modelos de estudo, demonstrámos também que estas duas espécies de Rickettsia apresentam requisitos distintos no que respeita aos fatores de sinalização do hospedeiro recrutados durante o processo de invasão de células do tipo macrófago. O processo de entrada da bactéria patogénica R. conorii revela uma maior dependência da atividade da cinase PAK1 e de trocadores de N+/H+ (NHE), características de mecanismos de endocitose do tipo macropinocitose. Os nossos resultados sugerem assim que a bactéria R. conorii usa um mecanismo alternativo de entrada do tipo macropinocitose, envolvendo o eixo de sinalização PAK-NHE-TK. A utilização de diferentes vias de sinalização entre espécies de Rickettsia poderá contribuir para explicar o tropismo observado em macrófagos. Este trabalho demonstra ainda que a bactéria R. conorii é capaz de induzir alterações substanciais na célula hospedeira (demonstradas em perfis transcricionais e proteicos) muito cedo no processo de infeção, por forma a escapar aos mecanismos de defesa das células fagocitárias e estabelecer o seu nicho de infeção. Para além de interferir com a resposta inflamatória e a função do proteassoma, a bactéria R. conorii induz a expressão de diversos genes com funções antiapoptóticas e interfere com a resposta ao stress no retículo endoplasmático. Esta mobilização do hospedeiro poderá, por um lado, auxiliar a bactéria a escapar à capacidade de defesa e vigilância do sistema imunitário e, por outro, manter a viabilidade do hospedeiro durante a infeção. Os nossos resultados também sugerem que a bactéria R. conorii tira partido da elevada plasticidade metabólica dos macrófagos para induzir alterações substanciais em diversas vias metabólicas. Esta bactéria patógenica modula ainda a expressão de diversos elementos reguladores da expressão génica, sugerindo que a interferência com um número tão elevado de processos celulares decorra da sua capacidade de manipulação dos programas transcricionais na célula hospedeira. Este trabalho contribui para o avanço do conhecimento acerca dos mecanismos moleculares responsáveis pela patogenicidade entre diferentes espécies de Rickettsia. Pela primeira vez, é revelada a capacidade da bactéria patogénica R. conorii de subverter os mecanismos de defesa de macrófagos e de estabelecer o seu nicho de infeção nestas células fagocitárias. Estes resultados contribuem para posicionar a infeção em macrófagos como um elemento chave para o desenvolvimento de patologia provocada por Rickettsia. Numa perspetiva mais geral, este trabalho abre portas ao desenvolvimento de novas linhas de investigação na área das interações patógeno-célula hospedeira, que poderão contribuir para a descoberta de terapias alternativas para o tratamento de infeções provocadas por bactérias intracelulares.