Molecular mechanisms of the interaction of Legionella pneumophila with the pulmonary epithelium

Abstract

Legionella pneumophila is a major cause of sporadic and epidemic community- and hospital -acquired pneumonia (CAP and HAP) that leads to frequent deaths worldwide. To cause these diseases, L. pneumophila has to interact with the pulmonary epithelial surface of the lung, which is known not only to be a mechanical barrier against invading pathogens, but also to play an important role in innate immunity. Thus, it is essential to understand the molecular mechanisms underlying this interaction. The present work will give an overview on the pathogenesis of L. pneumophila-induced pulmonary infections. Focus will be put on mechanisms of target cell activation via putative host cell receptors. Furthermore activated signal transduction pathways in L. pneumophila-infected pulmonary epithelial cells will be presented in detail. In the studies addressed here, we demonstrate that L. pneumophila infects pulmonary epithelial cells. Identification of virulence factors of L. pneumophila by pattern recognition receptors such as Toll-Like Receptor (TLR)2, TLR5 and TLR9 strongly induce the expression of diverse cytokines, antimicrobial peptides, and prostaglandin E2 (PGE2). The expression of the above mentioned mediators depends on the activation of Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs), Protein Kinase C (PKC), NF-kB (nuclear factor 'kappa- light-chainenhancer'of activated B-cells), and the Activator Protein 1 (AP-1). Furthermore, upon recognition of L. pneumophila by intracellular receptors such as Neuronal Apoptosis Inhibitory Protein (NAIP) and ICE protease- activating factor (Ipaf), the intracellular bacterial replication in pulmonary epithelial cells is strongly reduced. Taken together, we investigated relevant issues of innate immunity activation in L. pneumophila-infected pulmonary epithelial cells. These findings will contribute to the understanding of the pathogenesis of Legionnaires’disease.

Legionella pneumophila ist ein wichtiger Erreger der sporadischen und endemischen ambulant erworbenen („community acquired pneumonia“, CAP) und nosokomialen Pneumonien („hospital acquired pneumonia“, HAP). Diese Erkrankungen führen weltweit zu einer erhöhten Sterblichkeit. Um eine Pneumonie auszulösen, muss L. pneumophila mit den Lungenepithelzellen interagieren. Diese stellen nicht nur eine physikalische Barriere für Atemwegserreger dar, sondern spielen auch eine wichtige Rolle in der angeborenen Immunität. Es ist daher von großer Bedeutung die molekularen Mechanismen dieser Interaktion zu verstehen. Die vorliegende Arbeit gibt eine Übersicht über die Pathogenese der durch L. pneumophila hervorgerufenen pulmonalen Infektionen und fokussiert hierbei insbesondere auf die Mechanismen der Zielzellinfektion über potentielle Wirtszellrezeptoren, sowie die nachfolgend aktivierten Signalübertragungswege in L. pneumophila-infizierten Lungenepithelzellen. Es konnte gezeigt werden, dass L. pneumophila Lungenepithelzellen infiziert. Die Erkennung der Virulenzfaktoren dieses Erregers durch Mustererkennungsrezeptoren wie Toll-Like Rezeptor (TLR)2, TLR5 und TLR9 führte zu einer starken Induktion unterschiedlicher Zytokine, sowie antimikrobieller Peptide und Prostaglandin E2 (PGE2). Der Produktion obengenannter Mediatoren ging eine Aktivierung der Mitogen-Aktivierten Protein Kinase (MAPK), Protein Kinase C (PKC), NF-kB (nuclear factor 'kappa-light- chain-enhancer' of activated B-cells), und dem Aktivator Protein 1 (AP-1) voraus. Darüber hinaus reduzierte die intrazelluläre Erkennung von L. pneumophila durch das Neuronal Apoptosis Inhibitory Protein (NAIP) und den ICE protease-activating factor (Ipaf) das Wachstum dieser Erreger in Lungenepithelzellen stark. Zusammenfassend, wurden wichtige und relevante Mechanismen der Aktivierung der angeborenen Immunität in L. pneumophila infizierten Lungenepithelzellen adressiert. Diese neuen Erkenntnisse werden zum Teil dazu beitragen, die komplexe Pathogenese der Legionärskrankheit zu verstehen.