Exploring the macrophage response to leishmania infection: immunometabolism and pathway biocuration

Abstract
La Leishmaniasis es una inmunopatología de carácter pro-inflamatorio desarrollada como consecuencia de la infección con parásitos de Leishmania. Éstos residen y se replican en los macrófagos, células fagocíticas a cargo de la eliminación de microbios intracelulares. Como en toda infección microbiana de similar naturaleza, la resolución de la Leishmaniasis implica dos eventos claves. Primero, una activación transitoria de la respuesta pro-inflamatoria que potencie la función microbicida del macrófago, seguido de una respuesta amortiguadora que permita la expresión de los mecanismos reparadores de tejido. A esto le sigue una respuesta anti-inflamatoria a más largo plazo, que permite la expresión de los mecanismos de reparación tisular. En la infección sintomática con Leishmania, los procesos microbicidas en el macrófago no se activan eficientemente incluso en condiciones altamente proinflamatorias. ¿Qué explica la incapacidad del macrófago para responder a estas señales? En inmunopatologías análogas se conoce que los macrófagos tienen la capacidad de reprogramar manera de dinámica funciones inmunológicas y metabólicas después de su exposición a estímulos pro-inflamatorios. Éste fenómeno ha sido propuesto o estudiado en la Leishmaniasis. La principal hipótesis de mi trabajo de investigación doctoral es que en macrófagos infectados con Leishmania, rutas inmunometabólicas son reprogramadas de manera dinámica después estímulos pro-inflamatorios. Dependiendo del programa inmunometabólico, el macrófago favorece o no, la supervivencia del parásito. Mi trabajo derivó dos principales contribuciones científicas en este tema.A partir de datos de RNA-seq, análisis de enriquecimiento y una extensiva revisión de la literatura, caractericé las rutas involucradas en el inmunometabolismo del macrófago a las 24 horas de la infección con Leishmania. (2) Complementariamente, datos de transcriptómica y modelamiento matemático, me permitieron construir un modelo de la reprogramación que sufren rutas del inmunometabolismo del macrófago durante las primeras 24 horas de infección. En resumen, encontramos que: durante las primeras horas de la interacción Leishmania-macrófago, la célula hospedera activa una fuerte respuesta inflamatoria, así como oxidativa, evidenciada por la expresión de factores de transcripción, citoquinas, enzimas productoras de ROS (especies reactivas de oxígeno), entre otros. Adicionalmente, la bioenergética de la célula hospedera se sostiene principalmente en glicólisis, a diferencia de fosforilación oxidativa en mitocondria durante condiciones basales (sin infección). No obstante, mecanismos amortiguadores de éstas respuesta son en su mayoría activados paralelamente. Hacia las 24 horas de la infección, el macrófago presenta un perfil predominantemente antinflamatorio, anti-oxidativo y con una bioenergética de tipo basal. Éstas son precisamente las condiciones que favorecen la supervivencia del parásito. En el capítulo 1 ofrecemos una descripción detallada de las interacciones moleculares que sostienen este perfil. Esperamos que esta red molecular sirva como punto de partida para identificar nodos de intervención clave en la reversión de permisividad del macrófago a la infección. Adicionalmente, esperamos que la parametrización y estructuración del modelo matemático, discutido en el capítulo 2, motive tanto experimentos in silico como ex vivo/in vitro, para estudiar el sistema en presencia de estímulos pro-inflamatorios, factores moleculares secretados por el parásito, entre otros escenarios. Nuestro trabajo además tiene una tercera contribución científica. También nos propusimos abordar el problema de extraer información biológica significativa de los datos de RNA-seq en el contexto de la Leishmaniasis. Consideramos que muchos de los transcriptomas disponibles de macrófagos infectados con Leishmania están subexplotados para explorar mecanismos que trasciendan los mecanismos clásicos de estudio en la Leishmaniasis. Para esto, construimos el primer repositorio de rutas de señalización de importancia en la Leishmaniasis, en la base de datos publica Reactome. En el capítulo discutimos la importancia de estructurar la representación de procesos biológicos teniendo en la cuenta el contexto de la inmunopatología de esta enfermedad. Así, nosotros agrupamos rutas de señalización según su participación en: internalización del parásito, inducción de respuesta pro-inflamatorias e inducción de respuestas anti-inflamatorias que favorecen la supervivencia del parásito. Las rutas de señalización con las que inicializamos “Leishmania infection pathways” son de alta importancia en el control de la infección, con base en la literatura reciente. Tras reanalizar datos de transcriptómica previamente publicados,mostramos cómo nuestra base de datos potencia el discernimiento de mecanismos moleculares subyacentes a alguna de las categorías mencionadas, que no fueron reportados en los estudios originales. Por ejemplo, la ruta de señalización ADORA2B, contribuye al mantenimiento de un perfil antinflamatorio en macrófagos infectados con Leishmania. Esto es posible a través de la cascada de señalización que conduce a la producción de la interleucina 10. En general, esperamos que la comunidad científica en Leishmaniasis, haga uso y contribuya a la expansión de este repositorio, y así acelerar nuestro entendimiento de la biología de la infección. En conjunto, en este trabajo de investigación doctoral se integra el uso de herramientas computacionales y datos ómicos para realizar un análisis comprensivo de la respuesta del macrófago a la infección con parásitos de Leishmania.
Description
Keywords
Leishmaniasis, Macrophage, Immunometabolism, RNA-seq, Biocuration, Reactome, Dynamic model
Citation