The role of Toll-like Receptor (TLR) 9 in the development of a T-helper (Th)1/Th2 response in the murine model of infection with " Leishmania major "

1.1 SUMMARY The role of the non-specific innate immune system is as important as the elaboration of the adaptive immune system in the initiation of an immune response to pathogens. The role of the Toll-like receptors (TLRs) in the innate immune response to virus and bacterial pathogens is widely recognised, however, little is known about the role of TLRs in host defence against eukaryotic pathogens. Immunologic investigations on the marine model of infection with Leishmania major (L. major) have correlated the outcome of the disease with expansion of different subsets of CD4+ cells, designated Th1 and Th2. The resistance of C57BL/6, CBA and C3H/He mice is linked with an IL-12 driven Th1 response. In BALB/c mice the susceptibility correlates with an IL-4 driven Th2 response. The initial event promoting the development of a Th1 or Th2 response still remains elusive. Recently, the contribution of the TLR signalling pathway in the innate and acquired immune response to infection with the intracellular protozoan parasite L. major has been demonstrated. Thus, the purpose of this study is to determine whether TLRs may play a role in influencing the outcome of the infection by directing the development of a Th1 or a Th2 response during infection with L, major parasites, in resistant C57BL/6 and susceptible BALB/c mice, respectively. We demonstrated that MyD88, the major TLR adaptor molecule is necessary for C57BL/6 to develop a resistant Th1 response following L. major infection. Our data show the essential role of MyD88 in the establishment of a protective Th1 response. We subsequently aimed to determine which TLRs may be involved in the protective response. Since TLR2 and TLR4 have shown to have a potential role for Leishmania recognition, we analysed the course of infection in TLR2 and TLR4 deficient mice on a C57BL/6 resistant background following L. major infection. Our results clearly demonstrate that TLR2 or TLR4 aze dispensable to control the outcome of the disease as the TLR2 and TLR4 knockout mice developed a protective Th1 response. With the aim of determining a potential TLR candidate important in the initiation of the Thl response, we assessed the mRNA expression of different TLRs (TLR1 to TLR9) using quantitative real-time RT-PCR at different time points during the first week of infection. The results clearly showed an upregulation of TLR7 and TLR9 mRNA expression during the early phase of infection in resistant C57BL/6 mice but not in susceptible BALB/c mice. To provide in vivo evidence for the role for, these TLRs in the outcome of cutaneous leishmaniasis, studies using TLR7 and TLR9 deficient mice on a resistant C57BL/6 background were performed. The TLR7 deficient mice developed a resistance phenotype that was comparable with C57BL/6 wild type mice. Thus, the presence of TLR7 is not indispensable for the development of a Th1 response and resistance to infection. On the contrary, TLR9 deficient mice on the C57BL/6 resistant background showed high variability in the outcome of the disease. Although some mice behave as resistant C57BL/6 mice, half of them developed high lesion following infection and showed a decrease in IFN-γ production and an increase in IL-4 as compared to wild type mice. These results suggest that TLR9 may be involved in the control of infection. To test the hypothesis that regulatory T cells (Treg) are playing a role in the high variability in the disease outcome in TLR9 deficient mice, depletion of CD4+CD25+ T cells with a specific antibody three days before infection with L. major were performed Interestingly, these treated mice developed large lesions, low IL-4 and decreased IFN-γ producion when compared to untreated mice. A better understanding of the mechanism by which Treg cells influence the outcome of the disease in TLR9 deficient mice following L. major infection is currently under investigation. Altogether, this study demonstrates the importance of TLR9 in the induction of a protective T'h1 response, a process that is involved in the resolution of the lesion induced by L. major infection. 1.2 RÉSUMÉ Le rôle de la réponse immunitaire innée a longtemps été négligé quant à l'impact qu'elle pourrait avoir dans l'initiation d'une réponse immune adaptative efficace dirigée contre un pathogène. Si l'importance des récepteurs Toll-like (TLR) du système inné dans la reconnaissance des virus et bactéries a été démontrée, son rôle dans la défense contre les pathogènes eucaryotes reste encore très élusif. Récemment, il a été montré que les voies de signalisation provenant de l'activation des TLRs pouvaient initier la réponse immunitaire innée et adaptative après une infection avec le parasite protozoaire Leishmania major (L. major). Dans un modèle marin d'infection avec L. major alors que la plupart des souches de souris telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1) induite par IL-12, peu de souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse Th2 induite par IL-4. La différentiation Th1/Th2 est un événement qui prend place de manière définitive lors de la première semaine après infection. Les événements précoces promouvant le développement d'une réponse Th1 ou Th2 n'étant pas connus, l'objectif de ce travail a été de démontrer un rôle des TLRs dans l'initiation d'une réponse immune innée et adaptative suite à l'infection par L. major. Nous avons démontré que MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, est nécessaire pour que les souris résistantes C57BL/6 développent une réponse Th1 protectrice. L'importance du rôle de TLR2 et TLR4 dans la reconnaissance du parasite Leishmania ayant été démontrée, nous avons privilégié l'analyse de la réponse immunitaire suite à une infection in vivo de souris déficiente en TLR2 ou TLR4 sur un fond génétique résistant. Les résultats obtenus montrent que la présence de ces récepteurs n'est pas indispensable pour le contrôle de l'infection et la polarisation d'une réponse Th1 caractéristique de la résistance à L. major. Cependant d'autres TLRs peuvent aussi activer la voie de signalisation MyD88 dépendante. L'expression de l'ARNm des différents TLRs dans les ganglions drainant de souris sensibles et résistantes pendant la première semaine d'infection a été déterminée par PCR quantitative en temps réel. Les résultats obtenus montrent que l'ARNm de TLR7 et TLR9 était régulé positivement suite à l'infection par L. major chez les souris résistantes C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était détectable chez les souris sensibles BALB/c. Le rôle des récepteurs TLR7 et TLR9 a donc été évalué par l'infection par L. major des souris déficientes en TLR7 et TLR9 sur fond génétique C57BL/6. Nos résultats ont clairement démontré que les souris déficientes en TLR7 montrent une réponse immunitaire identique à celle des souris résistantes C57BL/6, signifiant que TLR7 n'est pas indispensable au développement d'une Th1 ainsi qu'au contrôle de la parasitémie. Paz contre, les souris déficientes en TLR9 sur un fond génétique résistant ont montré une grande variabilité dans la réponse à l'infection. En effet, la moitié des souris deviennent sensibles à l'infection, ceci étant associé à une diminution dans la production d'IFN-γ et à une augmentation de la production d'IL-4. Ces résultats suggèrent que TLR9 est impliqué dans le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Cependant les résultats avec les souris déficientes en TLR9 montrant une grande hétérogénéité et une balance Th1/Th2 instable, nous avons émis l'hypothèse que les cellules T régulatrices pouvaient être impliquées dans ce phénomène. Nous avons effectivement constaté qu'après déplétion des cellules CD4+CD25+, les souris déficientes en TLR9 développent des lésions aussi grandes que les souris BALB/c après infection par L. major. Cependant le nombre de parasites reste le même que chez les souris C57BL/6. De plus la production d'IL-4 ainsi que celle d'IFN-γ reste extrêment bas. Les mécanismes régulateurs impliqués dans ce processus sont en cours d'analyse. Ce travail met en évidence l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. 1.3 RESUME POUR UN LARGE PUBLIC La leishmaniose est une maladie parasitaire répandue dans le monde entier et touchant plus de 88 pays. L'incidence mondiale de la leishmaniose cutanée et de 1 à 1,5 million de nouveaux cas par année. Plus de 12 millions de personnes sont affectées par la maladie et 350 millions de personnes sont une population à risque. Un modèle marin d'infection avec Leishmania major (L. major) a été établi qui reproduit plusieurs tableaux cliniques observés dans le cas de la leishmaniose cutanée chez l'homme. L'analyse de la réponse immunitaire dans les souris infectées par L. major a permis de distinguer deux groupes : les souris de la plupart des souches telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1), alors que quelques souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse de type Th2. La réponse immune adaptative dans le modèle d'infection avec L. major à été largement étudiée. Cependant, les événements précoces déterminants pour le développement d'une réponse Th1 ou Th2 restent encore très flous. Récemment, plusieurs publications ont montré que les récepteurs Toll-like (TLR) peuvent contribuer à l'initiation de la réponse immunitaire lors d'une infection avec le parasite intracellulaire L. major. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié le rôle de MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, dans la réponse immune suite à une infection avec L. major. En l'absence de MyD88, les souris normalement résistantes à l'infection avec L. major deviennent sensibles et développent des lésions importantes. Ces souris ne sont plus capables de développer une réponse Thl, normalement caractéristique de leur phénotype résistant. Nous avons ensuite tenté de comprendre quels TLRs, plus précisément, pouvait être impliqué dans ce processus. Malgré quelques évidences démontrant que TLR2 et TLR4 pouvaient avoir un rôle important dans l'initiation d'une réponse immunitaire adaptative à Leishmania, nous avons montré que, in vivo après infection avec L. major, la déficience d'un de ces récepteurs n'était pas suffisante à faire basculer la réponse immunitaire. Les souris C57BL/6 déficient en TLR2 ou TLR4 peuvent parfaitement contrôler l'évolution de la maladie. De plus, ces souris, malgré l'absence de TLR2 ou TLR4, sont capables de monter une parfaite réponse Thl. Etant donné que TLR2 et TLR4 n'étaient pas essentiels pour la résistance à la maladie, nous avons analysé les TLRs, parmi les 12 décrits qui pouvaient être indispensables au développement d'une réponse de type Th1 associée à la résistance à l'infection par Leishmania. Nos expériences ont montré que l'expression de l'ARN messager (ARNm) de TLR7 et TLR9 était modulée suite à l'infection par L. major chez la souris résistante C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était visible chez les souris sensible BALB/c. Pensant que ces TLRs pourraient jouer un rôle dans la réponse immunitaire au parasite, nous avons étudié l'évolution de l'infection dans les souris déficientes en TLR7 et TLR9. Nos résultats ont clairement démontré que TLR7 n'était pas indispensable à la résistance au parasite alors que l'absence de TLR9 avait des conséquences radicales sur le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Ce travail révèle ainsi l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. Il est a noté que nos résultats sont en accord avec le fait que les motifs CpG, qui sont des immunostimulateurs interagissant avec le TLR9, ont une activité adjuvante importante dans la préparation de vaccins contre la leishmaniose. Une meilleure compréhension des mécanismes immunologiques impliquant le TLR9 dans la reconnaissance du parasite est alors indispensable pour le développement de vaccins thérapeutiques efficaces.

Leishmania major metacaspase can replace yeast metacaspase in programmed cell death and has arginine-specific cysteine peptidase activity.

The human protozoan parasite Leishmania major has been shown to exhibit several morphological and biochemical features characteristic of a cell death program when differentiating into infectious stages and under a variety of stress conditions. Although some caspase-like peptidase activity has been reported in dying parasites, no caspase gene is present in the genome. However, a single metacaspase gene is present in L. major whose encoded protein harbors the predicted secondary structure and the catalytic dyad histidine/cysteine described for caspases and other metacaspases identified in plants and yeast. The Saccharomyces cerevisiae metacaspase YCA1 has been implicated in the death of aging cells, cells defective in some biological functions, and cells exposed to different environmental stresses. In this study, we describe the functional heterologous complementation of a S. cerevisiae yca1 null mutant with the L. major metacaspase (LmjMCA) in cell death induced by oxidative stress. We show that LmjMCA is involved in yeast cell death, similar to YCA1, and that this function depends on its catalytic activity. LmjMCA was found to be auto-processed as occurs for caspases, however LmjMCA did not exhibit any activity with caspase substrates. In contrast and similarly to Arabidopsis thaliana metacaspases, LmjMCA was active towards substrates with arginine in the P1 position, with the activity being abolished following H147A and C202A catalytic site mutations. These results suggest that metacaspases are members of a family of peptidases with a role in cell death conserved in evolution notwithstanding possible differences in their catalytic activity.

" Leishmania major " metacaspase in programmed cell death

Abstract: The human protozoan parasite Leishmania major has been shown to exhibit several morphological and biochemical features characteristic of a programmed cell death (PCD) when differentiating into infectious stages and under a variety of stress conditions. In mammalian cells, the principal effector molecules of PCD or apoptosis are caspases. Although some caspase-like peptidase activity has been reported in dying parasites, no caspase gene is present in the L. major genome. However, a single metacaspase gene is present in L. major whose encoded protein harbors the predicted secondary structure and the catalytic dyad histidine/cysteine described for caspases and other metacaspases identified in plants and yeast. Metacaspases are also present in other protozoan parasites such as Trypanosoma and Plasmodium species and are not present in mammalian cells, which make them a possible drug target for the treatment of the parasitic diseases they cause. The Saccharomyces cerevisiae metacaspase YCA1 has been implicated in the death of aging cells, cells defective in some biological functions, and cells exposed to different environmental stresses. In this study, we evaluated the functional heterologous complementation of a S. cerevisiae ycal null mutant with the L. major metacaspase (LmjMCA} in cell death induced by oxidative stress. We show that LmjMCA is involved in yeast cell death, similar to YCA1, and that this function depends on its catalytic activity. LmjMCA was found to be auto-processed as occurs for caspases, however, LmjMCA did not exhibit any activity with caspase substrates. In contrast, LmjMCA was active towards substrates with arginine in the P1 position, with the activity being abolished following H147A and C202A catalytic site mutations and addition of the arginal inhibitor leupeptin. In order to identify the L. major proteins that may function as substrates, inhibitors, or may bind and recruit LmjMCA, a yeast two-hybrid screening with cDNA libraries from different life cycle stages of the parasite was conducted. Proteins putatively involved in PCD were identified as interacting with LmjMCA, however, the interaction of LmjMCA with proteins involved in other physiological processes such as vesicle transport, suggests that LmjMCA could have additional roles in the different life cycle stages of the parasite. Résumé: Plusieurs caractéristiques morphologiques et biochimiques rappelant la mort cellulaire programmée ont été identifiées dans les stades infectieux et sous des conditions de stress, chez le parasite protozoaire humain, Leishmania major. Dans les cellules de mammifères, les caspases sont les molécules effectrices principales impliquées dans la mort cellulaire programmée et l'apoptose. Bien qu'une activité caspase ait été retrouvée dans des parasites en mon` cellulaire, le génome de Leishmania ne contient aucun gène qui pourrait coder pour une caspase. À la place, on retrouve un gène unique codant pour une métacaspase. Une prédiction de la structure secondaire de la métacaspase montre que cette métacaspase a un domaine catalytique contenant la dyade histidine/cystéine présente dans les caspases et les autres métacaspases décrites chez les plantes et la levure. Les métacaspases sont aussi présentes dans d'autres parasites protozoaires tels que Trypanosome et Plasmodium, mais ne sont pas présentes dans les cellules de mammifères, ce qui en fait des cibles intéressantes pour le développement de drogue. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L. major lors de l'induction de ta mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YGA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que celte fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNc provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Résumé destiné à un large public: De nos jours, la leishmaniose est la deuxième plus importante maladie parasitaire après la malaria. Malgré les avancées accomplies dans les stratégies de contrôle, près de deux millions de nouveaux cas apparaissent chaque année. Actuellement, la principale stratégie pour faire face à ce problème épidémiologique consiste en un traitement pharmacologique des personnes infectées. Pourtant, seule une dizaine de médicaments, dont la plupart sont toxiques, est disponible pour traiter la leishmaniose et des cas de résistance émergent dans certains pays endémiques. Il devient donc urgent de mettre au point de nouveaux traitements anti-leishmaniens capables d'éliminer le parasite sans effets indésirables sur le patient. Récemment, des caractéristiques morphologiques et biochimiques de la mort cellulaire programmée (MCP) semblables au processus de l'apoptose chez les mammifères ont été décrites dans Leishmania. Cependant, des gènes codant pour des protéines similaires à celles qui sont impliquées dans l'apoptose, comme les caspases, ne se retrouvent pas dans le génome de Leishmanía major. Néanmoins, les espèces de Leishmanía, aussi bien que d'autres parasites protozoaires responsables des trypanosomiases et de la malaria, possèdent des métacaspases qui sont des protéines homologues aux caspases mais qui ne sont pas présentes chez les mammifères. C'est pourquoi, la caractérisation de la métacaspase de Leishmania (LmjMCA) ainsi que ses mécanismes d'activation pourrait être une piste d'investigation intéressante dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans les voies de signalisation de la MCP des parasites protozoaires. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L major lors de l'induction de la mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YCA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que cette fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNe provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Resumen destinado al público en general: La leishmaniasis es la segunda enfermedad parasitaria más importante en el mundo actual. Aproximadamente 2 millones de nuevos casos ocurren cada año a pesar de los avances logrados en el desarrollo de nuevos métodos de control. El tratamiento farmacológico de las personas infectadas es actualmente la principal estrategia de control, sin embargo, menos de una decena de medicamentos se encuentran disponibles en el mercado, la mayoría de ellos son tóxicos, y ya empiezan a encontrarse parásitos resistentes en algunos países endémicos para la leishmaniasis. El desarrollo de nuevos medicamentos capaces de eliminar los parásitos sin producir efectos indeseables en los humanos, es una necesidad inminente. Recientemente, algunas de las características morfológicas y bioquímicas de la muerte celular programada (MCP) similares al proceso de la apoptosis en mamíferos, han sido descritas en parasitos de Leishmania. Sin embargo, genes que codifiquen proteínas similares a aquellas involucradas en la apoptosis, como las caspasas, no se encuentran en el genoma de Leishmania major. AI contrario, las especies de Leishmania, así como de los otros parásitos responsables de la tripanosomiasis y de la malaria, poseen metacaspases, proteínas homologas a las caspases pero que no están presentes en las células de mamíferos. La caracterización de la metacaspasa de L. major y de sus mecanismos de activación constituye, por lo tanto, un área de investigación interesante para la identificación de nuevos blancos terapéuticos en el proceso de MCP de los parásitos protozoarios. En la levadura Saccharomyces cerevisiae, la metacaspasa YCA1 ha sido descrita como implicada en la muerte de células envejecidas, células defectuosas en algunas funciones biológicas, y en células expuestas a diferentes tipos de estrés ambiental. En el presente estudio se evaluó la complementación heteróloga funcional de una levadura mutante deficiente en YCA1 con el gen de metacaspase de L. major (LmjMCA) en la MCP inducida por estrés oxidativo. Nuestros resultados muestran que la LmjMCA puede reemplazarla YCA1 en la MCP de la levadura dependiente de su actividad catalítica y que la LmjMCA se auto-procesa similar a las caspasas. Sin embargo, LmjMCA no reconoce los substratos de caspasas sino substratos con una arginina en ta posición P1. Dicha actividad enzimática fue abolida con la inducción de las mutaciones puntuales H147A y C202A en la díada catalítica de LmjMCA y con la adición de leupeptina, un inhibidor con arginina. Con el fin de identificar proteínas que pudieran funcionar como substratos, inhibidores o moléculas modificadoras de LmjMCA, se aplicó el método de doble-híbrido en levadura con bibliotecas de ADNc provenientes de diferentes estadios del ciclo de vida del parásito. Algunas proteínas potencialmente implicadas. en la MCP del parásito fueron identiñcadas interactuando con LmjMCA. La identificación de otras proteínas involucradas en transporte vesicular sugiere que la LmjMCA podría tener una función biológica adicional en los diferentes estadios del ciclo de vida dei parásito.

Identification of Leishmania major cysteine proteinases as targets of the immune response in humans.

In this study, we report the identification of two parasite polypeptides recognized by human sera of patients infected with Leishmania major. Isolation and sequencing of the two genes encoding these polypeptides revealed that one of the genes is similar to the L. major cathepsin L-like gene family CPB, whereas the other gene codes for the L. major homologue of the cysteine proteinase a (CPA) of L. mexicana. By restriction enzyme digestion of genomic DNA, we show that the CPB gene is present in multiple copies in contrast to the cysteine proteinase CPA gene which could be unique. Specific antibodies directed against the mature regions of both types expressed in Escherichia coli were used to analyze the expression of these polypeptides in different stages of the parasite's life cycle. Polypeptides of 27 and 40 kDa in size, corresponding to CPA and CPB respectively, were detected at higher level in amastigotes than in stationary phase promastigotes. Purified recombinant CPs were also used to examine the presence of specific antibodies in sera from either recovered or active cases of cutaneous leishmaniasis patients. Unlike sera from healthy uninfected controls, all the sera reacted with recombinant CPA and CPB. This finding indicates that individuals having recovered from cutaneous leishmaniasis or with clinically apparent disease have humoral responses to cysteine proteinases demonstrating the importance of these proteinases as targets of the immune response and also their potential use for serodiagnosis.

In susceptible mice, Leishmania major induce very rapid interleukin-4 production by CD4+ T cells which are NK1.1-.

Susceptibility of BALB/c mice to infection with Leishmania major is associated with a T helper type 2 (Th2) response. Since interleukin-4 (IL-4) is critically required early for Th2 cell development, the kinetics of IL-4 mRNA expression was compared in susceptible and resistant mice during the first days of infection. In contrast to resistant mice, susceptible mice exhibited a peak of IL-4 mRNA in their spleens 90 min after i.v. injection of parasites and in lymph nodes 16 h after s.c. injection. IL-12 and interferon-gamma (IFN-gamma) down-regulated this early peak of IL-4 mRNA; the effect of IL-12 was IFN-gamma dependent. Treatment of resistant C57BL/6 mice with anti-IFN-gamma allowed the expression of this early IL-4 response to L. major. The increased IL-4 mRNA expression occurred in V beta 8, 7, 2- CD4+ cells in BALB/c mice and NK1.1- CD4+ cells in anti-IFN-gamma treated C57BL/6 mice. These results show that the NK1.1+ CD4+ cells, responsible for the rapid burst of IL-4 production after i.v. injection of anti-CD3, do not contribute to the early IL-4 response to L. major.

Leishmania major induces distinct neutrophil phenotypes in mice that are resistant or susceptible to infection.

Polymorphonuclear neutrophils (PMN) are key components of the inflammatory response contributing to the development of pathogen-specific immune responses. Following infection with Leishmania major, neutrophils are recruited within hours to the site of parasite inoculation. C57BL/6 mice are resistant to infection, and BALB/c mice are susceptible to infection, developing unhealing, inflammatory lesions. In this report, we investigated the expression of cell surface integrins, TLRs, and the secretion of immunomodulatory cytokines by PMN of both strains of mice, in response to infection with L. major. The parasite was shown to induce CD49d expression in BALB/c-inflammatory PMN, and expression of CD49d remained at basal levels in C57BL/6 PMN. Equally high levels of CD11b were expressed on PMN from both strains. In response to L. major infection, the levels of TLR2, TLR7, and TLR9 mRNA were significantly higher in C57BL/6 than in BALB/c PMN. C57BL/6 PMN secreted biologically active IL-12p70 and IL-10. In contrast, L. major-infected BALB/c PMN transcribed and secreted high levels of IL-12p40 but did not secrete biologically active IL-12p70. Furthermore, IL-12p40 was shown not to associate with IL-23 p19 but formed IL-12p40 homodimers with inhibitory activity. No IL-10 was secreted by BALB/c PMN. Thus, following infection with L. major, in C57BL/6 mice, PMN could constitute one of the earliest sources of IL-12, and in BALB/c mice, secretion of IL-12p40 could contribute to impaired, early IL-12 signaling. These distinct PMN phenotypes may thus influence the development of L. major-specific immune response.

Implication of different domains of the Leishmania major metacaspase in cell death and autophagy.

Metacaspases (MCAs) are cysteine peptidases expressed in plants, fungi and protozoa, with a caspase-like histidine-cysteine catalytic dyad, but differing from caspases, for example, in their substrate specificity. The role of MCAs is subject to debate: roles in cell cycle control, in cell death or even in cell survival have been suggested. In this study, using a Leishmania major MCA-deficient strain, we showed that L. major MCA (LmjMCA) not only had a role similar to caspases in cell death but also in autophagy and this through different domains. Upon cell death induction by miltefosine or H2O2, LmjMCA is processed, releasing the catalytic domain, which activated substrates via its catalytic dyad His/Cys and a proline-rich C-terminal domain. The C-terminal domain interacted with proteins, notably proteins involved in stress regulation, such as the MAP kinase LmaMPK7 or programmed cell death like the calpain-like cysteine peptidase. We also showed a new role of LmjMCA in autophagy, acting on or upstream of ATG8, involving Lmjmca gene overexpression and interaction of the C-terminal domain of LmjMCA with itself and other proteins. These results allowed us to propose two models, showing the role of LmjMCA in the cell death and also in the autophagy pathway, implicating different protein domains.

MARCKS-related protein (MRP) is a substrate for the Leishmania major surface protease leishmanolysin (gp63).

Myristoylated alanine-rich C kinase substrate (MARCKS) and MARCKS-related protein (MRP; MacMARCKS) are protein kinase C substrates in diverse cell types. Activation of murine macrophages by cytokines increases MRP expression, but infection with Leishmania promastigotes during activation results in MRP depletion. We therefore examined the effect of Leishmania major LV39 on recombinant MRP. Both live promastigotes and a soluble fraction of LV39 lysates degraded MRP to yield lower molecular weight fragments. Degradation was independent of MRP myristoylation and was inhibited by protein kinase C-dependent phosphorylation of MRP. MRP was similarly degraded by purified leishmanolysin (gp63), a Leishmania surface metalloprotease. Degradation was evident at low enzyme/substrate ratios, over a broad pH range, and was inhibited by 1,10-phenanthroline and by a hydroxamate dipeptide inhibitor of leishmanolysin. Using mass spectrometric analysis, cleavage was shown to occur within the effector domain of MRP between Ser(92) and Phe(93), in accordance with the substrate specificity of leishmanolysin. Moreover, an MRP construct in which the effector domain had been deleted was resistant to cleavage. Thus, Leishmania infection may result in leishmanolysin-dependent hydrolysis of MRP, a major protein kinase C substrate in macrophages.

The murine model of infection with Leishmania major and its importance for the deciphering of mechanisms underlying differences in Th cell differentiation in mice from different genetic backgrounds.

Mice from the majority of inbred strains are resistant to infection by Leishmania major, an obligate intracellular protozoan parasite of macrophages in the mammalian host. In contrast, mice from BALB strains are unable to control infection and develop progressive disease. In this model of infection, genetically determined resistance and susceptibility have been clearly shown to result from the appearance of parasite-specific CD4+ T helper 1 or T helper 2 cells, respectively. This murine model of infection is considered as one of the best experimental systems for the study of the mechanisms operating in vivo at the initiation of polarised T helper 1 and T helper 2 cell maturation. Among the several factors influencing Th cell development, cytokines themselves critically regulate this process. The results accumulated during the last years have clarified some aspects of the role played by cytokines in Th cell differentiation. They are providing critical information that may ultimately lead to the rational devise of means by which to tailor immune responses to the effector functions that are most efficient in preventing and/or controlling infections with pathogens.

Macrophages induce neutrophil apoptosis through membrane TNF, a process amplified by Leishmania major.

Neutrophils are recruited to the site of parasite inoculation within a few hours of infection with the protozoan parasite Leishmania major. In C57BL/6 mice, which are resistant to infection, neutrophils are cleared from the site of s.c. infection within 3 days, whereas they persist for at least 10 days in susceptible BALB/c mice. In the present study, we investigated the role of macrophages (MPhi) in regulating neutrophil number. Inflammatory cells were recruited by i.p. injection of either 2% starch or L. major promastigotes. Neutrophils were isolated and cultured in the presence of increasing numbers of MPhi. Extent of neutrophil apoptosis positively correlated with the number of MPhi added. This process was strictly dependent on TNF because MPhi from TNF-deficient mice failed to induce neutrophil apoptosis. Assays using MPhi derived from membrane TNF knock-in mice or cultures in Transwell chambers revealed that contact with MPhi was necessary to induce neutrophil apoptosis, a process requiring expression of membrane TNF. L. major was shown to exacerbate MPhi-induced apoptosis of neutrophils, but BALB/c MPhi were not as potent as C57BL/6 MPhi in this induction. Our results emphasize the importance of MPhi-induced neutrophil apoptosis, and membrane TNF in the early control of inflammation.

A protective cocktail vaccine against murine cutaneous leishmaniasis with DNA encoding cysteine proteinases of Leishmania major.

The protection elicited by the intramuscular injection of two plasmid DNAs encoding Leishmania major cysteine proteinase type I (CPb) and type II (CPa) was evaluated in a murine model of experimental cutaneous leishmaniasis. BALB/c mice were immunized either separately or with a cocktail of the two plasmids expressing CPa or CPb. It was only when the cpa and cpb genes were co-injected that long lasting protection against parasite challenge was achieved. Similar protection was also observed when animals were first immunized with cpa/cpb DNA followed by recombinant CPa/CPb boost. Analysis of the immune response showed that protected animals developed a specific Th1 immune response, which was associated with an increase of IFN-gamma production. This is the first report demonstrating that co-injection of two genes expressing different antigens induces a long lasting protective response, whereas the separate injection of cysteine proteases genes is not protective.

Redundant Notch1 and Notch2 signaling is necessary for IFNγ secretion by T helper 1 cells during infection with Leishmania major.

The protective immune response to intracellular parasites involves in most cases the differentiation of IFNγ-secreting CD4(+) T helper (Th) 1 cells. Notch receptors regulate cell differentiation during development but their implication in the polarization of peripheral CD4(+) T helper 1 cells is not well understood. Of the four Notch receptors, only Notch1 (N1) and Notch2 (N2) are expressed on activated CD4(+) T cells. To investigate the role of Notch in Th1 cell differentiation following parasite infection, mice with T cell-specific gene ablation of N1, N2 or both (N1N2(ΔCD4Cre)) were infected with the protozoan parasite Leishmania major. N1N2(ΔCD4Cre) mice, on the C57BL/6 L. major-resistant genetic background, developed unhealing lesions and uncontrolled parasitemia. Susceptibility correlated with impaired secretion of IFNγ by draining lymph node CD4(+) T cells and increased secretion of the IL-5 and IL-13 Th2 cytokines. Mice with single inactivation of N1 or N2 in their T cells were resistant to infection and developed a protective Th1 immune response, showing that CD4(+) T cell expression of N1 or N2 is redundant in driving Th1 differentiation. Furthermore, we show that Notch signaling is required for the secretion of IFNγ by Th1 cells. This effect is independent of CSL/RBP-Jκ, the major effector of Notch receptors, since L. major-infected mice with a RBP-Jκ deletion in their T cells were able to develop IFNγ-secreting Th1 cells, kill parasites and heal their lesions. Collectively, we demonstrate here a crucial role for RBP-Jκ-independent Notch signaling in the differentiation of a functional Th1 immune response following L. major infection.

Pregnancy impairs resistance of C57BL/6 mice to Leishmania major infection.

To determine if gestational factors affect the severity of L. major infection, this study assessed the levels of IL-4 mRNA and IFN-gamma mRNA in popliteal lymph node cells of pregnant C57BL/6 mice mated at 5 hours, 16 hours and 15 days post L. major infection using PCR. Infected pregnant C57BL/6 mice developed larger cutaneous footpad lesions compared with non-pregnant infected C57BL/6 mice. The resolution of footpad lesions commenced after 8th week in C57BL/6 mice mated at 16 hrs post L. major infection but 12 weeks in C57BL/6 mice mated at 5 hrs and 15 days post L. major infection. C57BL/6 mice that were infected 20 days post partum resolved L. major infection effectively. But, the lesions in infected pregnant C57BL/6 mice and infected non-pregnant C57BL/6 mice were not as large as in susceptible BALB/c mice. The mean litter weights were similar in pregnant infected C57BL/6 mice mated at different stages of L. major infection but were slightly lower than weights of litters from pregnant uninfected C57BL/6 mice. In 5 days infected pregnant C57BL/6 mice, the levels of IFN-gamma were raised compared with the levels of IL-4 but those mated at 15 days post L. major infection had highest level of IFN-gamma mRNA. In 10 days pregnant infected C57BL/6 mice, levels of IL-4 were raised compared with IFN-gamma but mice mated at 16 hrs post L. major infection had highest level of IL-4. In 15 days pregnant infected mice, the levels of IL-4 were higher than IFN-gamma irrespective of the stage of L. major infection when the mice were mated. Mice infected with L. major 20 days post-partum produced more IFN-gamma than IL-4 from 16 hrs post L. major infection onwards. It may be concluded that increased IL-4 in pregnant infected C57BL/6 mice impairs the resistance of C57BL/6 mice to L. major infection especially in mice that were pregnant before effective immunity (5 hours post L. major infection) is mounted against L. major infection.

LACK-reactive CD4+ T cells require autocrine IL-2 to mediate susceptibility to Leishmania major.

Mice from most inbred strains are resistant to infection with Leishmania major whereas mice from BALB strains are highly susceptible. Resistance and susceptibility result from the development of Th1 or Th2 cells, respectively. In this report, we document an IL-2 mRNA burst, preceding the reported early IL-4 response, in draining lymph nodes of susceptible mice infected with L. major. Neutralization of IL-2 during the first days of infection redirected Th1 cell maturation and resistance to L. major, through interference with the rapid IL-4 transcription in Leishmania homolog of mammalian RACK1 (LACK)-reactive CD4(+) cells. A burst of IL-2 transcripts also occurred in infected C57BL/6 mice that do not mount an early IL-4 response. However, although the LACK protein induced IL-2 transcripts in susceptible mice, it failed to trigger this response in resistant C57BL/6 mice. Reconstitution experiments using C.B.-17 SCID mice and LACK-reactive CD4(+) T cells from IL-2(-/-) BALB/c mice showed that triggering of the early IL-4 response required autocrine IL-2. Thus, in C57BL/6 mice, the inability of LACK-reactive CD4(+) T cells to express early IL-4 mRNA transcription, important for disease progression, appears due to an incapacity of these cells to produce IL-2.