Comparison of host cell invasion and host innate immune responses to Salmonella enterica serovars Choleraesuis and Typhimurium infections and the effect of the Salmonella virulence effector protein AvrA in human and swine cells

Abstract

Salmonella is one of the most important zoonotic pathogens worldwide, can infect and colonize vertebrate hosts with outcomes ranging from sub-clinical infections to life-threating systemic disease. Salmonella serovars differ in their host specificity and in the pathogenesis they cause. Salmonella enterica serovar Typhimurium can infect a wide range of hosts, including humans and food producing animals and it tends to cause acute but self-limited enteritis. Salmonella enterica serovar Choleraesuis is adapted to swine but can also cause systemic infection in humans. Genetic differences between the serovars, especially within Salmonella pathogenicity islands have been proposed to play a role in conferring host specificity. The Salmonella effector protein AvrA, encoded within SPI-1 has been reported to modulate the host immune response. The avrA gene is not present within the genome of S. Choleraesuis but is present in S. Typhimurium. Prior studies have suggested that the absence of the avrA gene could be associated with systemic forms of Salmonella infections. In order to analyze the possible effects of the presence or absence of the avrA gene in S. Typhimurium and S. Choleraesuis, respectively, an avrA+ S. Choleraesuis strain and an ΔavrA S. Typhimurium mutant strain were constructed and used to infect epithelial and macrophage cell lines from human and porcine origin. These strains were used to analyze the effects of avrA gene on invasion, intracellular persistence and host immune response. In this study S. Choleraesuis SARB4 strain was less invasive but showed a higher intracellular persistence compared to S. Typhimurium SL1344 strain. Furthermore, the immune response to S. Choleraesuis infection in porcine and human cells was lower in the early phase of infection (2 - 4 h. p.i.) compared with the response to S. Typhimurium, but this changed during the course of infection, particularly in human macrophages where the NFκB activation 24 hours p.i. were higher by S. Choleraesuis infection. This later response of the host immune system against infection with S. Choleraesuis could be related with the host adaptation in this Salmonella serovar and the higher rate of systemic infection. Despite the complex regulation of the avrA gene, in the present study, this gene was successfully cloned into S. Choleraesuis and was successfully transcribed, allowing direct comparison of the influence of the presence or absence of the avrA gene in both serovars. The presence of the avrA gene in both Salmonella serovars did not affect the invasion rate and the intracellular persistence in the eukaryotic cells. The possible effects of the presence or absence of the avrA gene in Salmonella serovars Choleraesuis and Typhimurium in modulation of the host immune response against Salmonella infection were only observed in human cell lines. The presence of the avrA gene in both Salmonella serovars had no effect on the immune response in the porcine cell lines tested. Finally, the presence of the avrA gene in both Salmonella serovars appeared to have an effect in the immune response to infection in human cells. Despite this, it can be concluded that the differences observed in invasion, intracellular persistence and host immune response between S. Choleraesuis and S. Typhimurium are at least not totally explained by the absence of the avrA gene in S. Choleraesuis, indicating that the host-adaptation of this serovar for swine, and the high rates of systemic infections in humans is dependent upon other factors.

Salmonella ist eins der wichtigsten zoonotischen Pathogene weltweit, das Wirbeltier-Wirte mit Folgen von subklinischen Infektionen bis hin zu lebensgefährlichen systemischen Erkrankungen infizieren kann. Salmonella Serovare variieren sowohl in ihrem Wirtsspektrum als auch in der von ihnen verursachten Pathogenese. Der Serovar Salmonella enterica Typhimurium kann ein breites Wirtsspektrum infizieren, darunter auch Menschen sowie Lebensmittel liefernde Tiere. Außerdem neigt er dazu akute, aber selbst-limitierte Enteritis zu verursachen. Der Serovar Salmonella enterica Choleraesuis ist an das Schwein adaptiert, kann aber auch systemische Infektionen beim Menschen verursachen. Es wird davon ausgegangen, dass die genetischen Unterschiede zwischen den Serovaren, insbesondere innerhalb der Salmonella Pathogenitätsinseln eine Rolle bei der Begrenzung des Wirtsspektrums spielen. Es wurde berichtet, dass das innerhalb von SPI-1 kodierte Salmonella Effektor Protein AvrA in die Regulierung der Wirts-Immunantwort involviert ist. Das avrA Gen ist nicht innerhalb des S. Choleraesuis Genoms enthalten, im Genom von S. Typhimurium hingegen schon. Frühere Studien haben nahegelegt, dass das Fehlen des avrA Gens mit systemischen Formen einer Salmonella Infektionen assoziiert ist. Um die möglichen Effekte der An- bzw. Abwesenheit des avrA Gens in S. Typhimurium und S. Choleraesuis zu analysieren, wurden ein avrA+ S. Choleraesuis Stamm und ein ΔavrA S. Typhimurium Mutantenstamm konstruiert, mit denen anschlieβend epitheliale und Makrophagen-ähnliche Zelllinien humanen und porzinen Ursprungs infiziert wurden. Dabei wurden die Effekte des avrA Gens auf die Invasion, die intrazelluläre Persistenz und die Immunantwort analisiert. In dieser Studie war der S. Typhimurium SL1344 Stamm invasiver, zeigte aber verglichen mit dem S. Choleraesuis SARB4 Stamm eine langsamere intrazelluläre Persistenz. Ferner war die Immunantwort auf die S. Choleraesuis Infektion bei porzinen wie auch bei humanen Zellen in der frühen Infektionsphase niedriger als bei einer S. Typhimurium Infektion. Dies änderte sich allerdings im Infektionsverlauf, insbes. bei den humanen Makrophagen- ähnlichen Zellen. Die spätere Wirts-Immunantwort gegen die Infektion mit S. Choleraesuis könnte mit seiner Wirtsadaptation und/oder seinem Infektionsergebnis zusammen hängen. Trotz der komplexen Regulierung des avrA Gens konnte das Gen in dieser Studie erfolgreich in S. Choleraesuis geklont und exprimiert werden. Die Anwesenheit des avrA Gens hatte keinen Effekt auf die Invasion und die intrazelluläre Persistenz. Die möglichen Effekte einer Anwesenheit des avrA Gens auf die Regulierung der Wirts-Immunantwort bei einer Salmonella Infektion mit beiden Serovaren zeigte sich nur in humanen Zellen. Abschließend lässt sich sagen, dass die Anwesenheit des avrA Gens in Salmonella einen möglichen Effekt auf die Immunantwort in humanen Zelllinien hat. Zusammenfassend lässt sich folgern, dass die beobachteten Unterschiede bezüglich der Invasion, intrazellulärer Persistenz und Wirts-Immunantwort zwischen S. Choleraesuis und S. Typhimurium durch die Abwesenheit des avrA Gens in S. Choleraesuis nich komplett erklärt werden können. Dies weist darauf hin, dass die Adaptation dieses Serovars an das Schwein sowie das häufige Vorkommen systemischer Infektionen beim Menschen von anderen Faktoren abhängt.