hBD-2 and hBD-3 are induced in S. pneumoniae infected human macrophages via distinct signaling pathways but exhibit similar immune modulatory functions

Abstract

Streptococcus pneumoniae is the most common cause of community acquired pneumonia. This infectious disease is characterized by acute or chronic inflammation of lung tissue which is due to invasion of the pathogen into the lower airway and activation of the host’s immune system. Invading pathogens will be combated by macrophages, an important cell type of innate immunity. These cells not only eliminate pathogens but also contribute to tissue repair in the aftermath of infection. The inflammatory response has to be carefully regulated since an overwhelming reaction would lead to excessive tissue damage which would negatively influence the course of the disease. Endogenously produced antimicrobial peptides, such as the human β-defensins, modulate the host’s immune response by enhancing or weakening the inflammatory reaction depending on the cellular context in which they are produced. Further, they are directly antimicrobial against various pathogens. Thus, if the mechanisms of induction as well as their effects on S. pneumoniae infected cells would be fully understood, exogenous regulation of the β-defensins in pneumococcal pneumonia could improve the outcome of the disease. Results of this study demonstrate that hBD-2 and hBD-3 are induced in S. pneumoniae infected human macrophages and that this induction is dependent on the bacterial exotoxin pneumolysin (PLY). Macrophages that are infected with the PLY expressing wild type strain produce hBD-3 whereas hBD-2 was only induced when stimulation was done with a PLY-deficient strain. The induction of hBD-3 involves TLR4, MyD88 and PI3K whereas hBD-2 is induced via TLR2, MyD88 and p38 MAPK / ERK signaling. Furthermore, it became apparent that KLF4, an important transcription factor seems to negatively regulate hBD-3 expression. Interestingly, hBD-3 was bactericidal against unencapsulated S. pneumoniae but hBD-2 had no antimicrobial effect at all. But both peptides were able to dose- dependently modulate the production of TNFα in infected macrophages. Lower doses of β-defensins slightly enhanced expression of the cytokine whereas higher doses caused a down-regulation. In conclusion, this study demonstrates that hBD-2 and hBD-3 exhibit similar immune modulating functions in human macrophages infected with S. pneumoniae but are regulated differentially via two distinct signaling pathways. It could be shown that this differential regulation depends on bacterial PLY and that both peptides possess pro- as well as anti-inflammatory properties depending on the context of infection.

Streptococcus pneumoniae ist der häufigste Erreger der ambulant erworbenen Pneumonie. Diese Infektionskrankheit ist charakterisiert durch eine akute oder chronische Entzündung des Lungengewebes, hervorgerufen durch eine Aktivierung des Immunsystems durch eindringende Bakterien. Eindringende Bakterien werden zunächst von Makrophagen bekämpft, einem wichtigen Zelltyp der angeborenen Immunität. Diese Zellen eliminieren nicht nur Pathogene sondern reparieren auch zerstörtes Gewebe nach einer überstandenen Infektion. Die Entzündungsreaktion als solche muss besonders gut reguliert werden, da eine überschießende Immunantwort zu vermehrter Gewebsschädigung führt und damit den Krankheitsverlauf negativ beeinflussen kann. Endogen produzierte, antimikrobielle Peptide, wie die humanen β-Defensine, können die Immunantwort modulieren, indem sie die Entzündungsreaktion weiter forcieren oder abschwächen, je nach dem in welchem zellulären Kontext sie produziert werden. Zusätzlich wirken sie direkt antimikrobiell auf verschiedene Pathogene, daher wäre ein besseres Verständnis der Induktion sowie der verschiedenen Effekte, welche β-Defensine auf S. pneumoniae infizierte Zellen ausüben, von Vorteil, um eventuell den Pneumonie-Verlauf durch exogene Regulation dieser Peptide günstig zu beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass hBD-2 und -3 in S. pneumoniae infizierten humanen Makrophagen induziert werden und das diese Induktion abhängig ist vom bakteriellen Exotoxin Pneumolysin (PLY). Makrophagen welche mit dem PLY-exprimierenden Wild Typ Stamm infiziert wurden, produzierten hBD-3, während hBD-2 nur induziert wurde, wenn eine Stimulierung mit einem PLY-defizienten Stamm erfolgte. Die Induktion von hBD-3 erfolgte über TLR4, MyD88 und PI3K, wohingegen hBD-2 über TLR2/6, MyD88 und p38 / ERK induziert wurde. Weiterhin stellte sich heraus dass KLF4, ein wichtiger Transkriptionsfaktor, die hBD-3 Expression negativ reguliert. Interessanterweise zeigte sich hBD-3 bakterizid gegen unbekapselte S. pneumoniae während hBD-2 nicht antimikrobiell wirkte. Beide Peptide waren aber in der Lage, konzentrationsabhängig die TNFα Produktion der infizierten Makrophagen zu modulieren. So stieg die Produktion dieses Zytokins bei geringer β-Defensin Konzentration während sie bei hoher Konzentration abnahm. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit gezeigt, dass hBD-2 und hBD-3 in humanen Makrophagen, welche mit S. pneumoniae infiziert sind, ähnliche immun- modulatorische Funktionen erfüllen, dass aber die Regulation dieser beiden Peptide über zwei gänzlich unterschiedliche Signalwege erfolgt. Es konnte gezeigt werden, dass diese differenzielle Regulation abhängig ist vom bakteriellen PLY und dass beide Peptide sowohl pro- als auch anti- inflammatorische Eigenschaften besitzen, je nach dem in welchem infektiologischen Kontext sie produziert werden.