Role of TLR4 in Escherichia coli urinary tract infection

Abstract

In this thesis we have used P fimbriated E. coli as a model to investigate the mechanisms of bacterial recognition and cell activation by the urinary tract (UT) epithelium. We show that Toll like receptor 4 (TLR4) is crucial for the recognition and host response to P fimbriated E. coli. This response was independent of LPS and did not require CD14. TLR4 was abundant on epithelial cells throughout the human urinary tract, while CD14 was absent from this compartment, as shown by immunohistochemistry on mucosal biopsies. In vitro infection of the biopsies with uropathogenic E. coli triggered a cytokine response. This response was absent when using avirulent control strains, showing that the human urinary tract epithelium is able to discriminate non-virulent strains from pathogens.



We propose a mechanism for the discrete recognition of P fimbriated E. coli in which the glycosphingolipid (GSL) receptors for P fimbriae are needed in addition to TLR4, for cell activation. P fimbrial binding to GSLs induces ceramide release from the membrane. This activates TLR4, suggesting that ceramide might act as a signaling intermediate between the GSLs and TLR4.



The TLR4 dependent intracellular signaling pathway in response to P fimbriated E. coli was shown to require the adaptors TRIF/TRAM but not MyD88/TIRAP.



The results show an example of discrete recognition of pathogenic bacteria. They provide a mechanism for how epithelial cells can discriminate avirulent strains from pathogens and control the host response in relation to the type of infecting agent.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Urinvägsinfektioner är en av våra vanligaste infektionssjukdommar. De orsakas främst av den Gramnegativa bakterien Escherishia coli. Normalt hålls urinvägarna sterila av ett effektivt försvar med utsöndring av antimikrobiella faktorer i urinen, men även urinflödet i sig är en viktig faktor i försvaret mot infektioner. Vissa bakterier klarar dock att etablera sig trots detta försvar.I urinvägarna har man visat att en viktig typ av virulensfaktorer är sk fimbrier. Dessa är en typ av häftarmar som sticker ut från sjukdomsframkallande (patogena) bakteriers cellvägg och binder bakterien till urinvägsslemhinnan. Genom att fästa till urinvägarna undviker bakterierna att bli utspolade av urinflödet och har därför större chans att etablera sig. Urinvägspatogener invaderar dock nästan aldrig de celler de binder till utan tros bilda kolonier på deras yta. Allvarligare former av urinvägsinfektion orsakas nästan uteslutande av E. coli bakterier som bär sk P-fimbrier. Dessa fimbrier binder till sockerstrukturer i urinvägsslemhinnan.



Urinvägsslemhinnan är uppbyggd av epitelceller som bildar en barriär mellan kroppens vävnader och urinen. I njurtubuli är deras uppgift är att filtrera slaggprodukter till urinen, men de fyller även en viktig funktion i det tidiga försvaret mot infektioner. I de fall där bakterier lyckats etablera en infektion uppstår ett inflammatoriskt svar, med tillströmning av vita blodkroppar till urinen. Rekryteringen av vita blodkroppar sker genom att epitelcellerna i urinvägarna utsöndrar sk cytokiner. Dessa molekyler fungerar som ledmarkeringar som stakar ut vägen från intilliggande blodkärl fram till urinvägsslemhinnan, men aktiverar även andra celler att underlätta blodkropparnas vandring och avdödning av bakterier.



Denna avhandling berör hur epitelceller känner av att de blivit infekterade. Tidigare studier i gruppen har visat att kolhydratreceptorer spelar en viktig roll genom att identifiera de patogena bakterier som bär P-fimbrier. Dessa receptorer är förankrade i cellmembranet via ceramid, som är en typ av fettsyrakonjugat. Vi visar nu att kolhydratreceptorerna sammarbetar med Tollreceptor 4 (TLR4) och att båda behövs för att epitelceller ska svara på P-fimbrierade bakterier. Tollreceptorer reagerar på infektion genom att känna igen bestämda strukturer hos mikroorganismer. När de aktiveras induceras cellen att utsöndra cytokiner som sätter igång det inflammatoriska svaret. Mer än tio olika TLR finns beskrivna hos människan och varje receptor reagerar på faktorer från olika typer av mikroorganismer. TLR 4 reagerar på Gramnegativa bakterier. Tillsammans med co-receptorn CD14 känner den av endotoxin (LPS) från bakteriens cellvägg och medierar symptomen vid blodförgiftning.



Vi har i detta arbete visat att epitelceller i den mänskliga urinvägsslemhinnan har TLR 4 på sin yta. Vi har undersökt cellinjer från mänskliga urinvägar, men också biopsier från njure, blåsa och urinledare.



Vi har även visat att TLR 4 är nödvändig för epitelcellssvaret mot P-fimbrierade bakterier. I detta fall är det dock inte LPS som ger svaret utan P-fimbrierna som är den kritiska faktorn. Vi har visat att epitelceller saknar CD14, den co-receptor som behövs för att känna av LPS, samt att dessa celler inte svarar på behandling med lösligt LPS. Genom att använda bakterier med modifierad cellvägg som inte ger något inflammatoriskt svar samt ämnen som inhiberar effekten av LPS har vi kunnat utesluta denna effekt och istället visat att P-fimbrier är en kritisk virulensfaktor som utlöser det Tollberoende inflammatoriska svaret i urinvägarna.



Vi har undersökt om frisättningen av fettsyran ceramid kan vara en länk i det Tollberoende svaret mot P-fimbrierade bakterier. För detta använde vi ett enzym som bryter ner fettsyrorna i cellmembranet för att åstadkomma en ceramidfrisättning utan närvaro av bakterier. Ceramidfrisättningen visades aktivera TLR 4 och det är sannolikt att ceramid fungerar som en länk mellan receptorn för P-fimbrierade bakterier och TLR 4.



Cellaktivering kräver också att TLR4 i sin tur engagerar ett antal intracellulära proteiner. Genom studier i knock-out möss som saknar dessa proteiner har vi kunnat studera betydelsen av varje protein för svaret mot P-fimbrierade bakterier. Det visade sig att, av de proteiner som är nödvändiga för svaret mot LPS var endast vissa nödvändiga fär svaret mot P-fimbrierade bakterier.



Resultaten belyser epitelcellernas viktiga funktion i urinvägarna. Dessa celler kan skilja virulenta från ickevirulenta stammar genom att endast reagera på kritiska virulensfaktorer hos de patogena bakterierna. Cellerna dirigerar också svaret mot symptomgivande, ofta allvarliga infektioner, men också mot asymptomatiskt bärarskap.

• author: Samuelsson, Patrik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Hultmark, Dan, University of Umeå
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area; Microbiology in the medical area
• keywords: mykologi, virologi, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, serologi, transplantation, Microbiology, virology, bacteriology, Immunologi, serology, Immunology, Pathogen, Mucosa, P-fimbriae, Toll like receptor
• pages: 120 pages
• defense location: Lecture hall at the dept. of Pathology
• defense date: 2004-05-19 10:15:00
• ISBN: 91-6286044-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: FrendÈus B., C. Wachtler, M. Hedlund, H. Fischer, P. Samuelsson, M. Svensson, and C. Svanborg. Escherishia coli P fimbriae utilize the TLR4 receptor pathway for cell activation. Mol.Microbiol. 2001, 40:37-51. Article: Samuelsson P., L. Hang, B. Wullt, H. Irjala and C. Svanborg. Toll like Receptor 4 Expression and Cytokine Responses in the Human Urinary Tract Mucosa. Infect. Immun. 2004, 72 (6).Samuelsson P., N. Roche, E. Gustafsson, H. Fischer, G. Godaly, M. Hedlund, J. Laurson, M-L Svensson, C. Svanborg. Glycosphingolipids as ligand recognition receptors in Toll-like receptor 4 dependent cell activation: Ceramide as a potential signaling intermediate. Manuscript Article: Fischer H., P. Samuelsson, M. Yamamoto, K Hoebe, C. Tallqvist, S. Akira, B. Beutler, C. Svanborg. Pathogen recognition by Toll like receptors: pathogens and commensals use different signal transduction pathways. Submitted
• id: 209522d6-41e7-4f49-981f-3040c9d5e836 (old id 466900)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:51:59
• date last changed: 2018-11-21 21:07:42