Host-microbial interactions: extracellular metabolites with immunomodulatory potential generated by Escherichia coli in response to human defensin

Bergamo Estrela, Andréia

Host-microbial interactions in the human gut can influence the development and course of several pathologies, including inflammatory bowel diseases (IBD). Inflammation in IBD represents a complex scenario where the inducible epithelial defensins are shown to play an important role. The present study investigated the hypothesis that Escherichia coli responds to human beta-defensin-2 (hBD-2), generating extracellular compounds which could have an effect on the host. Using HPLC-MS, supernatants from E. coli cultures challenged with hBD-2 were analyzed compared to unchallenged controls. Molecules present specifically in challenged cultures were identified and quantified by MS/MS. The general physiological state of challenged bacteria was addressed by microscopic and biochemical tools, and the mechanisms leading to the observed response were investigated. Additionally, the effects of extracellular compounds from hBD-challenged E. coli upon human intestinal epithelial cell line were evaluated by assessing the activity of the NF-kB pathway. The major compounds identified in E. coli supernatants after hBD challenge were the purine nucleosides adenosine (Ado) and guanosine (Guo). The response was dependent upon hBD-2 dose and cell density, each compound presented distinct variation. Other tested defensins and bacterial strains presented variable outcomes. Interaction of hBD-2 with E. coli membrane and intracellular nucleic acids, rather than absolute cell lysis, was found to be the mechanism generating extracellular Ado, and the involvement of a AMP-degrading activity was demonstrated. Experiments with the human cell line indicated that NF-kB pathway activation is enhanced in the presence of Ado and supernatants from hBD-challenged E. coli containing Ado. Thus, hBD-2 may alter local levels of Ado as a consequence of its interaction with gut bacteria, which in turn can affect the inflammatory process, mediating host-microbial interactions in the intestinal mucosa.

Die Mikroben-Wirtsinteraktion im menschlichen Darm kann die Entwicklung und den Verlauf zahlreicher Krankheiten, u. a. auch von entzündlichen Darmerkrankungen (IBD), beeinflussen. Entzündungen in IBD bilden ein komplexes Szenario, in denen die induzierbaren Defensine des Epithels eine wichtige Rolle spielen. Die vorliegende Studie untersucht die Hypothese, dass Escherichia coli auf humanes beta-Defensin-2 (hBD-2) mit der Bildung extrazellulärer Substanzen reagiert, welche den Wirt beeinflussen. Mittels HPLC-MS wurden Kulturbrühen von E. coli Kulturen nach hBD-2-Zugabe untersucht und mit Kontrollen verglichen. Substanzen, welche nur bei den mit hBD-2 behandelten Kulturen auftraten, wurden mittels MS/MS identifiziert und quantifiziert. Der physiologische Zustand der behandelten Bakterien wurde mittels mikroskopischer und biochemischer Methoden bestimmt und die dazu führenden Mechanismen untersucht. Außerdem wurden die Effekte der von E. coli nach hBD-2-Behandlung gebildeten, extrazellulären Verbindungen auf humane Darmepithelzellen über den NF-kB Signalweg quantifiziert. Adenosine (Ado) und Guanosin (Guo) wurden als Hauptverbindungen der mit hBD-2 behandelten E. coli-Kulturen identifiziert. Die Bildung hing von der hBD-2-Dosis und der Zelldichte ab, wobei sich Ado und Guo unterschiedlich verhielten und war Defensin- und Bakterien-spezifisch. Die Wechselwirkung von hBD-2 mit der E. coli-Membran und intrazellulären Nukleinsäuren und nicht bloße Zelllysis wurde als Mechanismus der Bildung von extrazellulärem Ado identifiziert und eine AMP-abbauende Aktivität nachgewiesen. Experimente mit einer humanen Zelllinie zeigten eine Aktivierung des NF-kB-Signalweges in Gegenwart von Ado oder von mit hBD-2-behandelten E. coli-Kulturüberständen. Daraus folgt, dass hBD-2 die lokale Konzentration von Ado durch seine Interaktion mit Darmbakterien beeinflussen kann, was wiederum den Entzündungsprozess in einer Wirts-Mikroben-Interaktion in der Darmschleimhaut modulieren kann.

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Bergamo Estrela, Andréia: Host-microbial interactions: extracellular metabolites with immunomodulatory potential generated by Escherichia coli in response to human defensin. 2011.

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