The role of epithelial signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) in the pathogenesis of intestinal infection with the attaching/effacing pathogen Citrobacter rodentium

Abstract

Bacterial gastroenteritis is a major cause of morbidity and mortality worldwide. Among gastroenteritis-causing pathogens, attaching and effacing (A/E) lesion-causing bacteria such as enteropathogenic and enterohemorrhagic Escherichia coli play an important role. As EPEC and EHEC are transmitted via the fecal-oral route, they present a major public health problem in developing countries where clean water supplies are often not available. Additionally, EHEC outbreaks have been described worldwide causing hemorrhagic colitis and hemolytic uremic syndrome. To investigate the pathogenesis of A/E-lesion causing bacterial infection, the murine Citrobacter rodentium model was studied. The aim of this study was to investigate the function of the versatile transcription factor, signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3), in the colon upon infection with the A/E lesion- causing bacterium C. rodentium. Highest activation could be observed four and fourteen days post infection (p.i.), suggesting a functional relevance of STAT3 at those time points during infection. To determine the function of activated STAT3, conditional knockout mice for STAT3 in macrophages and neutrophils, T cells and intestinal epithelial cells were infected. Whereas the lack of STAT3 in macrophages and neutrophils had no influence on the course of infection, the knockout in T cells was associated with an inability to clear infection. In intestinal epithelial cells, STAT3 activation peaked four and fourteen days p.i. Surprisingly, epithelial cell-specific STAT3 knockout (eSTAT3-Ko) mice display significantly elevated bacterial colonization as early as one day p.i. when compared to littermate controls, indicating that STAT3 has a function in restricting initial bacterial colonization. Additionally, C. rodentium infection in eSTAT3-Ko animals was followed by epithelial destruction, bacterial spreading and high mortality. Immunohistochemical staining and mRNA expression analysis revealed a significantly diminished expression of the anti-microbial peptides Reg3 β and γ in naïve eSTAT3-Ko mice. The lack of initial bacterial restriction might explain the overwhelming bacterial colonization and the consequent death. Thus, STAT3 is an important regulator of mucosal host defense against C. rodentium by protecting the mucosal surface from overwhelming bacterial colonization and destruction that prevents bacterial spreading and a consecutive systemic affection with high mortality.

Bakteriell ausgelöste Gastroenteritiden sind weltweit mit einer hohen Morbidität und Mortalität assoziiert. Zwei wichtige bakterielle Erreger sind der enteropathogene und enterohämorrhagische Escherichia coli, welche zu der Gruppe der „attaching and effacing“ (A/E) Läsionen auslösenden Bakterien gehören. Durch ihren fäkal-oralen Übertragungsweg sind EPEC und EHEC vor allem in Entwicklungsländern mit mangelnder Trinkwasserversorgung ein großes Gesundheitsproblem. Weltweit wurden mehrere Ausbrüche von EHEC- Infektionen beschrieben, welche zur hämorrhagischen Colitis oder in schweren Verläufen zu dem potentiell lebensgefährlichen hämolytisch-urämischen Syndrom führen können. Um die Pathogenese von A/E Läsionen auslösenden Bakterien zu untersuchen, wurde das murine Citrobacter rodentium Modell genutzt. Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion des Transkriptionsfaktors „Signal tranducer and activator of transcription 3“ (STAT3) im Kolon während der Infektion mit C. rodentium zu untersuchen. Die stärkste STAT3-Aktivierung konnte vier und vierzehn Tage nach Infektion beobachtet werden, welches eine funktionelle Relevanz des Transkriptionsfaktors zu diesen Zeitpunkten nahe legt. Im Folgenden wurden konditionelle Knockoutmäuse, denen STAT3 in Makrophagen und Neutrophilen, T-Zellen oder intestinalen Epithelzellen fehlt, infiziert. Der STAT3-Verlust in Makrophagen und Neutrophilen hatte nur einen untergeordneten Einfluss auf den Infektionsverlauf. In T-Zellen führte der Verlust zu einer Unfähigkeit der Tiere die Infektion zu beherrschen. In intestinalen Epithelzellen hatte die STAT3-Aktivierung ihr Maximum vier und vierzehn Tage nach Infektion. Überraschenderweise zeigten epithelzellspezifische STAT3-Knockoutmäuse (eSTAT3-Ko) im Vergleich zur Kontrollgruppe bereits am ersten Tag nach Infektion eine signifikant erhöhte bakterielle Besiedlung des Kolons. Diese Beobachtung lässt vermuten, dass STAT3 zusätzlich eine wichtige Rolle in der initialen Limitierung der bakteriellen Besiedlung nach Infektion einnimmt. Neben der erhöhten Besiedlung konnte in eSTAT3-Ko Mäusen eine Zerstörung der epithelialen Barriere, eine systemische Streuung der Bakterien, sowie eine hundertprozentige Mortalität beobachtet werden. Immunhistochemische Färbungen und mRNA-Analysen zeigten jedoch eine signifikant erniedrigte Expression der anti-mikrobiellen Peptide Reg3 β und γ in uninfizierten Tieren. Das Fehlen der initialen Limitierung der Bakterienlast kann die überschießende Besiedlung mit dem darauffolgenden Tod der Versuchstiere erklären. Zusammenfassend konnte STAT3 als ein essentieller Faktor für die Wirtsantwort gegen C. rodentium identifiziert werden, da es die Kolonschleimhaut vor einer überschießenden bakteriellen Kolonisierung und Zerstörung schützt und damit eine systemische Beteiligung mit tödlichen Folgen verhindert.