The hypomorphic HAQ variant of STING affects cGAS-dependent cytokine expression in response to bacterial infection and is associated with susceptibility to Legionnaires’ disease in humans

Abstract

Community-acquired pneumonia (CAP) remains one of the most notorious burdens for health worldwide. Among the wide spectrum of etiological agents, S. pneumoniae and L. pneumophila are considered two of the most common causes of bacterial CAP. Innate immune defenses against these and several other pathogens, largely relies on activation of pattern recognition receptors (PRRs) and initiation of inflammatory responses. Infection with L. pneumophila and S. pneumoniae has been previously shown to induce type I IFN responses in a manner dependent of STING. This protein is an essential adaptor of the cytosolic DNA sensor cGAS. Interestingly, two allelic variants of the STING-encoding gene TMEM173, namely HAQ and R232H, have been described before to have a diminished capacity of inducing type I IFN responses when ectopically expressed. The function of endogenous HAQ and R232H STING variants and their potential association with predisposition to infectious diseases have, however, not yet been assessed. Here, I show that the cGAS-STING pathway mediates detection of S. pneumoniae and L. pneumophila infection to primarily stimulate type I IFN responses. Cells of human individuals carrying HAQ TMEM173 were largely or partly defective in inducing type I IFNs and proinflammatory cytokines upon bacterial infection or stimulation with bacterial DNA and cyclic di-nucleotides (CDNs). In contrast, cells expressing R232H STING were partly impaired in their response to CDNs but responded normally to L. pneumophila and S. pneumoniae. Subsequent analyses revealed that the STING pathway contributed to control of L. pneumophila infection but was dispensable for restricting S. pneumoniae during acute pneumonia in mice. Moreover, explorative analyses revealed an association of HAQ TMEM173 with susceptibility to L. pneumophila but not with S. pneumoniae infection in humans. Our study reveals that the cGAS-STING cascade contributes to antibacterial defense against L. pneumophila but not S. pneumoniae in mice and humans, and provides important insight into how the common HAQ TMEM173/STING variant affects antimicrobial immune responses and susceptibility to infection.

Ambulant erworbene Pneumonien (CAP) sind weltweit eine wesentliche Ursache für Morbidität und Mortalität. S. pneumoniae und L. pneumophila sind zwei der häufigsten Verursacher von CAP. Die angeborene Immunabwehr gegen diese und andere Pathogene ist abhängig von der Aktivierung von Mustererkennungsrezeptoren und der nachfolgenden Initiierung von Entzündungsreaktionen. Frühere Arbeiten zeigten, dass Infektionen mit L. pneumophila und S. pneumoniae die Produktion von Typ I IFNs abhängig von STING stimulierten. STING ist ein essentielles Adaptermolekül des zytosolischen, DNAerkennenden Mustererkennungsrezeptors cGAS. Vorherige Studien beschrieben zudem, dass häufige genetische Varianten vom STING-kodierenden Gen TMEM173 vorkommen und dass die Varianten HAQ und R232H nach Überexpression vermindert in der Lage waren, Typ I IFNs zu induzieren. Die Funktion der endogenen HAQ und R232H STING-Moleküle und ihren potentiellen Einfluss auf Empfänglichkeit gegenüber Infektionen waren bisher jedoch noch nicht untersucht worden. In dieser Arbeit zeige ich, dass S. pneumoniae und L. pneumophila über cGAS erkannt werden und nachfolgend über STING insbesondere die Produktion von Typ I IFNs induziert wird. Zellen von gesunden, freiwilligen Spendern, die HAQ STING exprimieren, waren stark oder teilweise in ihrer Fähigkeit eingeschränkt, Typ I IFNs bzw. proinflammatorische Zytokine nach bakteriellen Infektionen oder Stimulation mit bakterieller DNA und zyklischen di-Nukleotiden (CDNs) zu produzieren. Im Gegensatz dazu zeigten Zellen von R232H TMEM173-Trägern nur auf CDNs eine abgeschwächte Antwort, nicht jedoch auf Infektionen mit L. pneumophila und S. pneumoniae oder auf Stimulation mit bakterieller DNA. In Pneumoniemausmodellen zeigte sich zudem, dass der STING-Signalweg zur antibakteriellen Abwehr gegen L. pneumophila aber nicht gegen S. pneumoniae beiträgt. Außerdem konnte in explorativen Analysen von humanen Patientenproben eine Assoziation von HAQ TMEM173 mit erhöhter Empfänglichkeit für L. pneumophila-, nicht jedoch S. pneumoniae-Infektionen nachgewiesen werden. Zusammengenommen zeigt die Arbeit, dass die cGAS-STING-Kaskade zur antibakteriellen Abwehr gegen L. pneumophila nicht jedoch gegen S. pneumoniae in Mensch und Maus beiträgt. Die Arbeit liefert zudem wichtige Einsichten darüber, wie die häufige HAQ TMEM173/STING–Variante antimikrobielle Immunantworten und Empfänglichkeiten für Infektionen beeinflussen kann.