Toxoplasma)gondii) - mucosalimmunology.ch · T. gondii infection leads to transient bacterial...

20

Transcript of Toxoplasma)gondii) - mucosalimmunology.ch · T. gondii infection leads to transient bacterial...

Toxoplasma  gondii  obligate  intracellular  parasite  -­‐in  healthy  hosts  the  parasite  infec4on  is  controlled  by  IFN-­‐γ  produc4on  by  NK  and  T  cells  (mediated  by  IL-­‐12)  

15  cysts-­‐orally  

T. gondii infection leads to transient bacterial translocation but persistent LP Th1 T cell responses.  

C57BL/6  mice  +  orally  15  cysts  of  RFP-­‐expressing  T.  gondii  

#  of  RFP+  cells  

Enhanced  associa4on  of  bacteria  with  epithelium  

Loss  of  demilitariza4on  zone?  

Infec4on  also  leads  to  enhanced  bacterial  transloca4on  

They  propose  that  T.  gondii  infec4on  leads  to  a  loss  of  T  cell  ignorance  to  commensal  bacteria  

(gut  fully  healed)  

siLP  CD4+  T  cells  +  BMDC  +  S4mulus  STAg:  soluble  T.  gondii  an4gen  or  PMA/Iono  for  3.5  hrs  

siLP  CD4+  T  cells  ex  vivo-­‐>  PMA/ionomycin  

n=4-­‐6  mice  

Flow  cytometry  of  CD4  cells  is  gated  on  live,  TCRβ+,  CD4+  and  Foxp3-­‐    

~10%  specific,  46%  IFNγ+ T cells after non-specific stimulation  

Mouse  models  used:  

CBir1  Tg  –CD45.1  –backcrossed  for  3  genera4ons        -­‐CBir1  Tg  T  cells  also  express  CD45.1  on  their  cell        surface        -­‐permits  cells  to  be  tracked  in  a  CD45.2  host        (C57BL/6  mice)  

CBir1  Tg  –Rag-­‐/-­‐  –backcrossed  for  2  genera4ons        -­‐the  only  T  cells  produced  are  CBir1  Tg  T  cells  

CBir1  Tg  mice:  • CD4+  T  cells  proliferate  in  response  to  microbial  an4gens,  specifically  flagella  • No  prolifera4ve  ac4vity  to  diet  or  host  an4gens  • splenic  T  cells  are  naïve  CD4  T  cells  and  can  be  used  for  cell  transfer  experiments  (CD44lo/T-­‐bet-­‐/Rorγt-­‐)  phenotype  

Cong,  Y.  et  al.  J  Exp  Med  187,  855–864  (1998)  

Used  TCR  transgenic  mouse  model  to  examine  the  interac4on  between  commensal-­‐specific  T  cells  and  the  microbiota  aker  T.  gondii  infec4on  

CFSE-­‐labeled  105  splenic  CBir1  Tg  T  cells  (CD45.1)   congenic  host  

(CD45.2)  

+/-­‐  T.  gondii  infec4on  

6          8    12  

cull  and  analyze  CD4+  T  cell  prolifera4on  in  spleen    

Bacterial-­‐specific  T  cell  popula4on  undergoes  prolifera4on  and  expansion  aker  infec4on  

No  infec4on  =  naïve  phenotype  

MACS  enrichment  and  all  gated  on  live,  TCRβ+,  CD4+  and  Foxp3-­‐    

T.  gondii  infec4on  leads  to  the  ac4va4on  and  Th1  differen4a4on  of  microbial-­‐specific  T  cells  

CBir  1  Tg    T  cells  

7.5×104  splenic  CBir1  Tg  T  cells  (CD45.1)  

congenic  host  (CD45.2)  

+  T.  gondii  infec4on  (15  cysts)  

cull  at  18  hours  p.i.  and  analyze  host  and  transfer  

cell  expression  of  T-­‐bet  

Do  commensal-­‐specific  T  cells  differen4ate  into  effector  cells  during  T.  gondii  infec4on?  

Aker  T.  gondii  infec4on  CBir1  Tg  T  cells  differen4ate  toward  a  Th1  phenotype      

All  gated  on  live,  TCRβ+,  CD4+  and  Foxp3-­‐    

7.5×104  splenic  CBir1  Tg  or  OTII  T  cells  (CD45.1)  

congenic  host  (CD45.2)  

+  T.  gondii  infec4on  (15  cysts)  

splenocytes  8  days  aker  infec4on  

CBir1  Tg  cells  proliferate  &  differen4ate  to  Th1  

OTII  Tg  cells  remain  naïve    

Analyzed  for  intracellular  staining    for  IFN-­‐γ  &  IL-­‐17  

All  gated  on  live,  TCRβ+,  CD4+  and  Foxp3-­‐    

Specific  expansion  of  commensal-­‐specific  T  cells  aker  T.  gondii  infec4on  

Gastrointes4nal  infec4on  induces  microbiota-­‐specific  memory  CD4  T  cells  

Iden4fied  long-­‐lived  memory  T  cells  (CD44hi)  and  differen4ate  into  a  phenotype  characteris4c  of  long-­‐lived  Th1  T  cells    (increased  CD27  and  decreased  Ly6c  and  T-­‐bet)  

2%  DSS  in  H20  for  7d  -­‐>  loss  in  intes4nal  epithelium  integrity  CBir1  Tg  T  cells  also  become  ac4vated  and  expand  

 DAPI-­‐  NK1.1-­‐  F4/80-­‐  CD11c-­‐  CD11b-­‐  B220-­‐  CD3+  CD4+  

For  CBir1  pep4de  cytokine  induc4on:    CD45.1+  T  cells  isolated  by  MACS,  cultured  for  17  hours  with  MACS  purified  CD11c+  splenic  DCs  that  have  been  pulsed  with  CBir1  pep4de  

T  cell  memory  

7.5×104  CBir1  Tg  T  cells  +  15  cysts  of  T.  gondii  transferred  into  CD45.2  host  

-­‐>  +/-­‐  rechallenge  35d  later  with  CBir1  pep4de  and  LPS  i.p  and  measured  number  of  CBir1  Tg  T  cells  6  days  later    

memory  CBir1  Tg  T  cells  proliferate  upon  secondary  exposure  to  CBir1  pep4de  

Challenged  with  10μg  LPS  and  CBir1  Ag  

memory  CBir1  Tg  T  cells  maintained  a  high  expression  of  T-­‐bet  

Either  naïve  hosts  carrying  ~104  naïve  CBir1  Tg  T  cells  (open  circles)  or  day  35  (1°  memory)  T.  gondii  infected  mice  (black  triangles)  were  injected  with  CBir  pep4de  and  LPS.  6  days  aker  injec4on  splenocytes  were  isolated  and  stained  for  T-­‐bet  

Can  an  established  commensal-­‐specific  T  cell  popula4on  be  re-­‐ac4vated  by  gastrointes4nal  infec4on?  

Naïve  CBir1  Tg  T  cells  in  vivo  with  CBir1  pep4de  +  LPS  (26d)  -­‐>  infected  with  T.  gondii  for  16d  

Secondary  infec4on  induced  prolifera4on  of  CBir1  T  cells  

• Under  homeosta4c  condi4ons,  the  commensal  microbiota  can  drive  the  differen4a4on  of  Tregs  and  Th17  cells  

• But  CBir1  Tg  T  cells  did  not  induce  the  expression  of  IL-­‐17A  or  the  transcrip4on  factors  Rorγt  or  Foxp3  during  T.  gondii  infec4on  indica4ng  that  microbiota-­‐specific  T  cells  are  differen4a4ng  according  to  signals  provided  by  the  inflammatory  milieu  

• Novel  finding:  during  gastrointes4nal  infec4on  bacteria-­‐specific  T  cells  become  ac4vated  and  differen4ate  into  long-­‐lived  memory  cells  

Discussion  

• Luminal  bacteria  from  IL-­‐10-­‐/-­‐  mice  differen4ally  clusters  from  WT  mice  • Treatment  with  AOM  does  not  significantly  effect  microbial  composi4on  or  richness  R=1  is  the  maximum  dissimilarity  between  groups  

• Inflamma4on  alters  the  microbial  community  composi4on  and  diversity/evenness  of  the  mucosally-­‐adherent  microbiota  

Inflamma4on  alters  fecal  microbial  community  structure  • 7-­‐12  wk  old  mice  transferred  from  GF  facility  to  SPF  and  colonized  for  20  wks  • housed  2-­‐4  per  cage  (WT  and  IL-­‐10-­‐/-­‐  co-­‐housed?)  • Aker  4  weeks,  mice  received  6  weekly  i.p.  injec4ons  of  AOM  (10mg/kg)    • 100%  IL-­‐10-­‐/-­‐  developed  coli4s  and  60-­‐80%  with  AOM  treatment  developed  colonic  tumors  • No  coli4s  or  tumors  in  WT  mice  • Lumina  HiSeq  2000  plaworm  –  sequenced  V6  region  of  intes4nal  bacteria  

Mucosal  biopsies  of  colon  4ssue:  2  ×  10  mm  sec4on  flushed  (=~100  mg)  

The  uneven  distribuAon  of  microbial  species  was  aEributed  to  members  of  the  Enterobacteriaceae  

MDS  plot  depic4ng  luminal  microbiota  of  Il10−/−  vs.  WT,  overlaid  with  Enterobacteriaceae  abundance  depicted  by  circle  size  

Normalized  to  total  bacterial  DNA  

Monocoloniza4on  of  GF  IL-­‐10-­‐/-­‐  mice  with  E.  faecalis  or  E.  coli  NC101  differen4ally  impacts  tumorigenesis  without  affec4ng  inflamma4on  

Colonic  cytokines  involved  in  inflamma4on  and  carcinogenesis  were  not  significantly  different  between  groups  mRNA  expression  rela4ve  to  GF  IL-­‐10-­‐/-­‐  mean  +  SEM,  n=4  

E.  faecalis  human  commensal  E.  coli  NC101  murine  adherent-­‐invasive  strain  n=7-­‐12  per  group  

E.  coli  NC101  has  carcinogenic  proper4es  that  E.  faecalis  does  not  

Hypothesized  that  genomic  island  pks  island  which  encodes  the  machinery:  The  genomic  island,  hereaker  named  pks  island,  encodes  a  machinery  for  the  synthesis  of  pep4de-­‐polyke4de  hybrid  compounds  

Eukaryo4c  cells  in  contact  with  E.  coli  expressing  this  gene  cluster  causes  DNA  double-­‐strand  breaks  and  ac4va4on  of  the  DNA  damage  checkpoint  pathway,  leading  to  cell  cycle  arrest  and  eventually  to  cell  death  

Nougayrède,  J.-­‐P.  et  al.  Science  313,  848–851  (2006).  

pks-­‐specific  PCR  

γH2AX  rat  intes4nal  epithelial  cell  line  Assessed  levels  of  phosphorylated  histone  H2AX,    a  surrogate  marker  of  DNA  damage    generated  Δpks  NC101  and  infected  cells  with  a  MOI  20,  4hr  

infected  cells  with  a  MOI  100,  24  hr  NC101  infec4on  induced  cell  arrest  at  G2    

The  absence  of  pks  did  not  effect  the  severity  of  colonic  inflamma4on  in  IL-­‐10-­‐/-­‐  mice  but  did  influence  neoplasia  scores  

0  =  no  dysplasia  1  =  mild  dysplasia  characterized  by  aberrant  crypt  foci  (ACF),  +.5  for  small  gastrointes4nal  neoplasia  (GIN)  or  mul4ple  ACF  2  =  moderate  dysplasia  with  GIN,  +.5  for  mul4ple  occurrences  or  small  adenoma    3  =  severe  or  high  grade  dysplasia  restricted  to  the  mucosa  3.5  =  adenocarcinoma,  invasion  through  the  muscularis  mucosa  4  =  adenocarcinoma,  full  invasion  through  the  submucosa  and  into  or  through  the  muscularis  propria    

The  presence  of  pks  did  not  effect  mouse  survival,  but  these  results  suggest  that  the  presence  of  pks  accelerates  the  progression  from  dysplasia  to  invasive  carcinoma  

Impact  of  pks  on  host  DNA  damage  in  vivo:  

Colonocyte  γH2AX+  nuclear  foci  in  AOM/IL-­‐10-­‐/-­‐  mice  associated  with  bacteria  for  14  wks  

Cells  with  ≥4  γ-­‐foci  (nuclear  foci  staining  posi4ve  for  γH2AX)  were  enumerated  and  expressed  as  γ-­‐foci+  cells  per  crypt  

γ-­‐foci+  cells  were  counted  in  crypts  throughout  the  colon  by  a  blinded  inves4gator  in  at  least  40  fields  of  view    

•   this  two-­‐hit  model,  inflamma4on  targets  the  microbiota  to  foster  the  expansion  of  bacteria  with  genotoxic  poten4al,  such  as  pks+  bacteria  

• In  parallel,  inflamma4on  creates  an  opportunity  for  pks+  bacteria  to  adhere  to  the  colonic  mucosa  by  decreasing  protec4ve  mucins  and  an4microbial  pep4de  produc4on,  a  process  prevented  by  natural  barrier  func4on  present  in  non-­‐inflamed  WT  mice  

• Novel  finding:  that  inflamma4on  and  not  cancer  is  associated  with  shiks  in  microbial  concentra4on    

Discussion