Variationen der Toll-like Rezeptoren beeinflussen die Suszeptibilität für Tuberkulose in Hyderabad, Indien und die Immunantwort auf Mycobacterium tuberculosis

Abstract

Hintergrund: Die Tuberkulose, eine durch Mycobacterium tuberculosis hervorgerufene Infektion, ist auch heute noch ein globales Gesundheitsproblem. Die Tuberkulose Suszeptibilität variiert stark unter infizierten Individuen und das Erkennen der Mykobakterien durch das angeborene Immunsystem beeinflusst wahrscheinlich den Krankheitsverlauf und -ausgang. Diese Arbeit beschreibt SNPs in den Toll-like Rezeptoren, welche die angeborene Immunantwort auf Mycobacterium tuberculosis verändern und die mit Tuberkulose in Südindien assoziiert sind. Methoden: Eine SNP Datenbank mit Informationen zu den jeweiligen Toll-like Rezeptor Polymorphismen und deren potentiellem Einfluss auf die Proteinstruktur wurde angelegt. In Hyderabad, Indien wurden eine Kohorte mit Tuberkulosepatienten und eine mit gesunden Kontrollen generiert. 206 Tuberkulose Patienten und 236 gesunde Kontrollen wurden auf SNPs in den Toll-like Rezeptoren 1, 2, 4, 7 und 8 hin untersucht. Das Vorhandensein dieser genetischen Variationen wurde anschließend mit Tuberkulose Suszeptibilität korreliert. Um individuelle Reaktionen auf Mycobacterium tuberculosis Lysate zu untersuchen wurden HEK293 Zellen mit Varianten eines Toll-like Rezeptor 1 SNPs transfiziert und PBMCs von genotypisierten, gesunden deutschen Individuen mit den entsprechenden Liganden in vitro stimuliert. Nach Stimulation wurden die NF-κB-Aktivierung bzw. TNF - Produktion gemessen. Zur statistischen Auswertung der Kohorten wurde ein Computerprogramm entwickelt und potentielle Auswirkungen des Toll-like Rezeptor 1 SNPs wurden in silico modelliert. Ergebnisse: Die Kohorten-Analyse ergab die Assoziation eines Toll-like Rezeptor 1 SNPs (248N, rs4833095) und eines Toll-like Rezeptor 8 SNPs (1M, rs3764880) mit Schutz vor TB und die Assoziation eines TLR4 SNPs (299D, rs4986790) mit erhöhtem Tuberkulose-Risiko bei Frauen. Funktionelle Untersuchungen an HEK Zellen, die mit Toll-like Rezeptor 1-248N transfiziert und mit Mycobacterium tuberculosis stimuliert wurden, zeigten eine erhöhte NF-κB Aktivierung bei dieser Toll-like Rezeptor 1 Genvariante. Zusätzlich wiesen Toll- like Rezeptor 1-248N exprimierende PBMCs von gesunden Kontrollen eine erhöhte TNFs Antwort auf Mycobacterium tuberculosis Lysate auf. Die in silico Modellierung zeigte eine deutliche Veränderung der Proteinstruktur von Toll-like Rezeptor1 durch die Mutation der Aminosäure 248, die die funktionellen Veränderungen erklären könnte. Fazit: Der SNP Toll-like Rezeptor 1-248N ist mit Schutz vor Tuberkulose in einer indischen Bevölkerung assoziiert, führt zu einer erhöhten Immunantwort auf Mycobacterium tuberculosis Lysate und vermutlich zu einer strukturellen Veränderung dieses Rezeptors.

Background: Tuberculosis, a disease caused by Mycobacterium Tuberculosis infection, is still a global public health problem. TB susceptibility varies substantially in infected individuals, and mycobacterial recognition by the innate immune system may likely affect disease course and outcome. This research describes SNPs in the TB genes that functionally alter the innate immune response to MTB and are associated with TB susceptibility in India. Methods: A SNP database with information regarding the polymorhpisms and their potential influence on protein structure was created. In Hyderabad, India, cohorts of TB patients and healthy controls were generated. 206 patients and 239 controls from Hyderabad, India were analyzed for SNPs in the TLRs 1, 2, 4, 7 and 8. The frequency of the genetic variations subsequently was correlated with TB susceptibility. To test individual responses to MTB lysates, we stimulated human embryonic kidney (HEK) cells transfected with TLR1 variants, as well as PBMCs from genotyped, healthy German individu- als. NF-κB activation and TNF production were assessed respectively after stimulation of the cells. For statistical analysis of the cohorts, a computer software was programmed and potential consequences of the TLR1 SNP on protein structure were modeled in silico. Results: Cohort analysis revealed an association of a TLR1 SNP (248N, rs4833095) and of a TLR8 SNP (1M, rs3764880) with TB protection and an association of a TLR4 SNP (299D, rs4986790) with TB risk in females. Functional studies using HEK cell lines transfected with TLR1-248N and stimulated with MTB showed an increased NF-κB activation of this genetic variant. In addition to this, TLR1-248N expressing PBMCs from healthy controls exhibited an increased TNF response to MTB lysates. The in silico modeling gave evidence of changes in protein structure of TLR1 when the mutation was present potentially explaining the functional consequences. Conclusion: The TLR1-248N SNP is associated with TB protection in an Indian population, leads to an increased immune response to MTB lysate, and potentially to a structural change of this receptor.