Role of sphingomyelinases in mycobacterial infection

Wu, Yuqing GND

Mycobacterial infection-induced diseases, particularly tuberculosis (TB), cause more than 1 million deaths annually. Mycobacteria initially infect lungs, invade alveolar macrophages and can develop a systemic infection with high lethality. However, currently available drugs are only partially effective due to the development of drug-resistant mycobacteria. The sphingomyelinase/ceramide system has been implicated to play many roles in mycobacterial infections. Thus, this study aims to identify the mechanisms of sphingomyelinase/ceramide-regulated mycobacterial infection and provide potential therapeutic strategies. The present work investigated roles of neutral sphingomyelinase (Nsm) and acid sphingomyelinase (Asm)/ceramide system in the systemic infection of murine macrophages and mice with Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guerin (BCG). Nsm has been shown to allow mycobacterial persistence in mice by suppressing autophagy. The present study focused on the role of Nsm in the generation of granuloma, the hallmark of mycobacterial infections. The results in this thesis reveal a novel mechanism of Nsm-dependent granuloma formation upon mycobacterial infection. The results indicate that the infection of bone marrow-derived macrophages (BMDMs) with BCG leads to rapid activation of Nsm and activation of surface β1-integrin via phosphorylation of p38 mitogen-activated protein kinases (p38K) and c-Jun N-terminal kinase (JNK). Nsm-dependent β1-integrin activation results in the activation of small GTPase Rac1 and reorganization of the cytoskeleton. This leads to macrophage migration and granuloma-like clusters in vitro. Mice heterozygous for Nsm or mice treated with neutralizing antibodies against β1-integrin contain fewer macrophage clusters in vitro, fewer granulomas in vivo and, most importantly, fewer bacteria in vivo. These findings indicate that the Nsm/ceramide system plays an important role in mycobacteria-induced granuloma formation by regulating a signaling cascade via p38, JNK, β1-integrin and Rac1. Furthermore, the current study suggests a novel mechanistic link between Asm and mycobacterial infection. The results show that BCG infection of BMDMs triggers activation of Asm and acid ceramidase (Ac), and elevated levels of sphingosine-1-phosphate (S1P) which increases reactive oxygen species (ROS) via nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase subunit p47phox. ROS promote BCG degradation by the lysosomal enzyme, cathepsin D. BMDMs of Asm deficient mice abrogate these effects, and these mice are more susceptible to BCG infection than wild-type (Wt) mice. Transplantation of Wt BMDMs into Asm deficient mice confirmed the crucial role of Asm in macrophages. The transplantation partially reversed the susceptibility of Asm deficient mice to BCG infection. These findings indicate that Asm/ceramide system is important in the control of BCG infection. These studies reveal the role of sphingomyelinases in mycobacteria-induced granuloma formation and bacterial elimination. The further study combines neutral and acid sphingomyelinases may provide a novel therapeutic strategy against mycobacterial infection.

Infektionen durch Mykobakterien, insbesondere Tuberkulose (TB), verursachen jährlich mehr als 1 Million Todesfälle. Die anfängliche pulmonale Lokalisation der Erreger entwickelt sich oft zu einer systemischen Infektion mit hoher Letalität. Gegenwärtig verfügbare Arzneimittel sind jedoch aufgrund der Entwicklung von arzneimittelresistenten Mykobakterien nur teilweise wirksam. Dass das Sphingomyelinase/Ceramid-System bei mykobakteriellen Infektionen bedeutsam ist, wurde bereits in einigen Publikationen beschrieben. Ziel dieser Studie ist es, die Mechanismen der Sphingomyelinase-regulierten mykobakteriellen Infektion detaillierter zu untersuchen, um dadurch potentielle Zielmoleküle für eine Therapie zu identifizieren. In der vorliegenden Arbeit wurden die Rolle des sauren Sphingomyelinase (Asm) und des neutralen Sphingomyelinase (Nsm)/Ceramid-Systems bei der systemischen Infektion von Mäusen und von murinen Makrophagen mit Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guérin (BCG) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Infektion von Makrophagen mit BCG zu einer raschen Stimulation der Nsm und einer Aktivierung von oberflächigem β1-Integrin über eine Phosphorylierung von p38K und JNK führt. Die Nsm-abhängige Aktivierung von β1-Integrin hat eine Stimulation von Rac1 und eine Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts zur Folge, was zur Migration von Makrophagen und schließlich zur Granulombildung führt. Bedeutsam ist, dass die Inzidenz der Granulombildung bei Nsm-heterozygoten Mäusen oder bei Mäusen, die mit neutralisierenden Antikörpern gegen β1-Integrin behandelt wurden, viel niedriger ist, wodurch chronische Infektionen der Leber und Milz verhindert werden. Diese Befunde zeigen, dass das Nsm/Ceramid-System eine wichtige Rolle bei der Bildung von Mykobakterien-induzierten Granulomen spielt, indem es eine Signalkaskade über p38, JNK, β1-Integrin und Rac1 reguliert. Darüber hinaus liefern die vorliegenden Daten eine neuartige mechanistische Verbindung zwischen mykobakteriellen Infektionen und der Funktion der Asm. Die Ergebnisse zeigen, dass die BCG-Infektion von Makrophagen über die Stimulierung der Sauer Sphingomylinase (Asm), Sauer Ceramidase (Ac), Sphingosin-1-Phosphat erhöht und dann eine erhöhte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies über die NADPH-oxidase-Untereinheit p47phox auslöst. Die reaktiven Sauerstoffspezies ihrerseits aktivieren Cathepsin D, welches das Abtöten der Bakterien vermittelt. Mäuse, die für die Asm defizient sind, sind nicht in der Lage, die beschriebenen Prozesse zu induzieren und können somit die BCG-Infektion nicht abwehren. Die entscheidende Rolle von Makrophagen in der Asm-abhängigen Kontrolle von Mykobakterien wurde durch Transplantation von Wildtyp-Makrophagen in Asm-defiziente Mäuse bestätigt; durch diese Übertragung wurde die Empfindlichkeit von Asm-defizienten Mäusen gegenüber BCG-Infektionen partiell kompensiert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Asm/Ceramid-System bei der Kontrolle von BCG-Infektionen wichtig ist. Diese Studien zeigen die Rolle von Sphingomyelinasen bei der Mykobakterien-induzierten Granulombildung und der Bakterienbeseitigung. Die weitere Studie, in der neutrale und saure Sphingomyelinasen kombiniert werden, kann eine neuartige therapeutische Strategie gegen mykobakterielle Infektionen darstellen.

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Wu, Yuqing: Role of sphingomyelinases in mycobacterial infection. 2019.

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