Exploring the macrophage response to leishmania infection: immunometabolism and pathway biocuration
Date
2021
Authors
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Publisher
Pontificia Universidad Javeriana Cali
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
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Leishmaniasis is a pro-inflammatory immunopathology developed as a consequence of infection with Leishmania parasites. These reside and replicate in macrophages, phagocytic cells in charge of the elimination of intracellular microbes. As in all microbial infections of a similar nature, the resolution of Leishmaniasis involves two key events. First, a transient activation of the pro-inflammatory response that enhances the microbicidal function of the macrophage, followed by a longer-term anti-inflammatory response, which allows the expression of tissue repair mechanisms. In symptomatic infections with Leishmania, microbicidal processes in the macrophage are not activated efficiently even under highly pro-inflammatory conditions. What explains the inability of the macrophage to respond to these signals? In analogous immunopathologies it is known that macrophages have the ability to dynamically reprogram immune and metabolic functions after exposure to pro-inflammatory stimuli. This phenomenon has not been proposed or studied in Leishmaniasis. The main hypothesis of my doctoral research work is that in macrophages infected with Leishmania, immunometabolic pathways are dynamically reprogrammed after pro-inflammatory stimuli. Depending on the immunometabolic program, the macrophage favours or not the survival of the parasite. My work derived two main scientific contributions on this topic. (1) Using RNA-seq data, enrichment analysis, and extensive literature review, I reconstructed the pathways involved in macrophage immunometabolism 24 hours after infection with Leishmania parasites. (2) In addition, transcriptome data and mathematical modelling allowed me to build a model of the reprogramming of macrophage immunometabolism pathways during the first 24 hours of infection. In summary, we found that: during the first hours of the Leishmania-macrophage interaction, the host cell activates a strong inflammatory as well as oxidative response, evidenced by the expression of transcription factors, cytokines, ROS-producing enzymes (reactive oxygen species), among others. Additionally, the host cell bioenergetics is sustained mainly by glycolysis, as opposed to oxidative phosphorylation in mitochondria during basal conditions (without infection). However, damping mechanisms of these responses are mostly activated in parallel. By 24 hours after infection, the macrophage has a predominantly anti-inflammatory, anti-oxidative profile and with basal-type bioenergetics. These are precisely the conditions that favour the survival of the parasite. In Chapter 1 we provide a detailed description of the molecular interactions that support this profile. We hope that this molecular network will serve as a starting point to identify key intervention nodes in the reversion of macrophage permissiveness to infection. Additionally, we hope that the parameterization and structuring of the mathematical model, discussed in chapter 2, will motivate both in silico and ex vivo /in vitro experiments to study the system in the presence of pro-inflammatory stimuli, molecular factors secreted by the parasite, among other scenarios. Our work also has a third scientific contribution. We also set out to address the problem of extracting meaningful biological information from RNA-seq data in the context of Leishmaniasis. We consider that many of the transcriptomes available from macrophages infected with Leishmania are underexploited to explore mechanisms that transcend the classical mechanisms studied in Leishmaniasis. For this, we built the first repository of signalling pathways of importance in Leishmaniasis, in the public database Reactome. In Chapter 3 we discussed the importance of structuring the representation of biological processes considering the context of the immunopathology of this disease. Thus, we group signalling pathways according to their participation in: internalization of the parasite, induction of pro-inflammatory responses and induction of anti-inflammatory responses that favour parasite survival. The signalling pathways with which we initialized "Leishmania infection pathways" are of high importance in the control of the infection, based on the recent literature. After re-analyzing previously published transcriptomics data, we show how our database enhances the discernment of molecular mechanisms underlying any of the aforementioned categories, which were not reported in the original studies. For example, the ADORA2B signalling pathway contributes to the maintenance of an anti-inflammatory profile in macrophages infected with Leishmania. This is possible through the signalling cascade that leads to the production of interleukin 10. In general, we hope that the scientific community in Leishmaniasis will make use and contribute to the expansion of this repository, and thus accelerate our understanding of the biology of infection. Together, this doctoral research work integrates the use of computational tools and omics data to perform a comprehensive analysis of the macrophage response to infection with Leishmania parasites.
Keywords
Leishmaniasis, Macrophage, Immunometabolism, RNA-seq, Biocuration, Reactome, Dynamic model