Ocean acidification weakens the immune response of blood clam through hampering the NF-kappa beta and toll-like receptor pathways

The impact of pCO2 driven ocean acidification on marine bivalve immunity remains poorly understood. To date, this impact has only been investigated in a few bivalve species and the underlying molecular mechanism remains unknown. In the present study, the effects of the realistic future ocean pCO2 levels (pH at 8.1, 7.8, and 7.4) on the total number of haemocyte cells (THC), phagocytosis status, blood cell types composition, and expression levels of twelve genes from the NF-kappa beta signaling and toll-like receptor pathways of a typical bottom burrowing bivalve, blood clam (Tegillarca granosa), were investigated. The results obtained showed that while both THC number and phagocytosis frequency were significantly reduced, the percentage of red and basophil granulocytes were significantly decreased and increased, respectively, upon exposure to elevated pCO2. In addition, exposure to pCO2 acidified seawater generally led to a significant down-regulation in the inducer and key response genes of NF-kappa beta signaling and toll-like receptor pathways. The results of the present study revealed that ocean acidification may hamper immune responses of the bivalve T. granosa which subsequently render individuals more susceptible to pathogens attacks such as those from virus and bacteria.

A46R and A52R from vaccinia virus are antagonists of host IL-1 and toll-like receptor signaling

Poxviruses employ many strategies to evade and neutralize the host immune response. In this study, we have identified two vaccinia virus ORFs, termed A46R and A52R, that share amino acid sequence similarity with the Toll/IL-1 receptor (TIR) domain, a motif that defines the IL-1/Toll-like receptor (TLR) superfamily of receptors, which have a key role in innate immunity and inflammation. When expressed in mammalian cells, the protein products of both ORFs were shown to interfere specifically with IL-1 signal transduction. A46R partially inhibited IL-1-mediated activation of the transcription factor NFκB, and A52R potently blocked both IL-1- and TLR4-mediated NFκB activation. MyD88 is a TIR domain-containing adapter molecule known to have a central role in both IL-1 and TLR4 signaling. A52R mimicked the dominant-negative effect of a truncated version of MyD88 on IL-1, TLR4, and IL-18 signaling but had no effect on MyD88-independent signaling pathways. Therefore, A46R and A52R are likely to represent a mechanism used by vaccinia virus of suppressing TIR domain-dependent intracellular signaling.

Systemic activation of dendritic cells by Toll-like receptor ligands or malaria infection impairs cross-presentation and anti-viral immunity

The mechanisms responsible for the immunosuppression associated with sepsis or some chronic blood infections remain poorly understood. Here we show that infection with a malaria parasite (Plasmodium berghei) or simple systemic exposure to bacterial or viral Toll-like receptor ligands inhibited cross-priming. Reduced cross-priming was a consequence of downregulation of cross-presentation by activated dendritic cells due to systemic activation that did not otherwise globally inhibit T cell proliferation. Although activated dendritic cells retained their capacity to present viral antigens via the endogenous major histocompatibility complex class I processing pathway, antiviral responses were greatly impaired in mice exposed to Toll-like receptor ligands. This is consistent with a key function for cross-presentation in antiviral immunity and helps explain the immunosuppressive effects of systemic infection. Moreover, inhibition of cross-presentation was overcome by injection of dendritic cells bearing antigen, which provides a new strategy for generating immunity during immunosuppressive blood infections.

The effect of ageing on macrophage Toll-like receptor-mediated responses in the fight against pathogens

The cellular changes during ageing are incompletely understood yet immune system dysfunction is implicated in the age-related decline in health. The acquired immune system shows a functional decline in ability to respond to new pathogens whereas serum levels of cytokines are elevated with age. Despite these age-associated increases in circulating cytokines, the function of aged macrophages is decreased. Pathogen-associated molecular pattern receptors such as Toll-like receptors (TLRs) are vital in the response of macrophages to pathological stimuli. Here we review the evidence for defective TLR signalling in normal ageing. Gene transcription, protein expression and cell surface expression of members of the TLR family of receptors and co-effector molecules do not show a consistent age-dependent change across model systems. However, there is evidence for impaired downstream signalling events, including inhibition of positive and activation of negative modulators of TLR induced signalling events. In this paper we hypothesize that despite a poor inflammatory response via TLR activation, the ineffective clearance of pathogens by macrophages increases the duration of their activation and contributes to perpetuation of inflammatory responses and ageing.

Vascular cell responsiveness to toll-like receptor ligands in carotid atheroma

Background Atherosclerosis is potentiated by stimulation of Toll-like receptors (TLRs), which serve to detect pathogen associated molecular patterns (PAMPs). However little is known of which PAMPs may be present in atheroma, or capable of stimulating inflammatory signalling in vascular cells. Materials and Methods DNA extracted from human carotid atheroma samples was amplified and sequenced using broad-range 16S gene specific primers to establish historical exposure to bacterial PAMPs. Responsiveness of primary human arterial and venous endothelial and smooth muscle cells to PAMPs specific for each of the TLRs was assessed by measurement of interleukin-8 secretion and E-selectin expression. Results Extracts of atheromatous tissue stimulated little or no signalling in TLR-transfected HEK-293 cells. However, sequencing of bacterial DNA amplified from carotid atheroma revealed the presence of DNA from 17 different bacterial genera, suggesting historical exposure to bacterial lipopeptide, lipopolysaccharide and flagellin. All cells examined were responsive to the ligands of TLR3 and TLR4, poly inosine:cytosine and lipopolysaccharide. Arterial cells were responsive to a wider range of PAMPs than venous cells, being additionally responsive to bacterial flagellin and unmethylated cytosine-phosphate-guanosine DNA motifs, the ligands of TLR5 and TLR9, respectively. Cells were generally unresponsive towards the ligands of human TLR7 and TLR8, loxoribine and single stranded RNA. Only coronary artery endothelial cells expressed TLR2 mRNA and responded to the TLR2 ligand Pam3CSK4. Conclusions Vascular cells are responsive to a relatively diverse range of TLR ligands and may be exposed, at least transiently, to ligands of TLR2, TLR4, TLR5 and TLR9 during the development of carotid atheroma.

Toll-like receptor 9 in breast cancer

The innate immune system recognizes microbial features leading to the activation of the adaptive immune system. The role of Toll-like receptor 9 (TLR9) is to recognize microbial DNA. In addition to immune cells, TLR9 is widely expressed in breast cancer in addition to other cancers. Breast cancer is the most common cancer in women, affecting approximately one in eight in industrialized countries. In the clinical setting, breast cancer is divided into three clinical subtypes with type-specific treatments. These subtypes are estrogen receptor (ER)-positive, HER2-positive and triple-negative (TNBC) breast cancer. TNBC is the most aggressive subtype that can be further divided into several subtypes. TNBC tumors lack ER, progesterone receptor and HER2 receptor. Therefore, the current clinically used targeted therapies are not suitable for TNBC treatment as TNBC is a collection of diseases rather than one entity. Some TNBC patients are cured with standard chemotherapy, while others rapidly die due to the disease. There are no clinically used iomarkers which would help in predicting which patients respond to chemotherapy. During this thesis project, we discovered a novel good-prognosis TNBC subtype. These tumors have high TLR9 expression levels. Our findings suggest that TLR9 screening in TNBC patient populations might help to identify the patients that are at the highest risk regarding a relapse. To gain better understanding on the role of TLR9 in TNBC, we developed an animal model which mimicks this disease. We discovered that suppression of TLR9 expression in TNBC cells increases their invasive properties in hypoxia. In line with the clinical findings, TNBC cells with low TLR9 expression also formed more aggressive tumors in vivo. TLR9 expression did not, however, affect TNBC tumor responses to doxorubicin. Our results suggest that tumor TLR9 expression may affect chemotherapyrelated immune responses, however, this requires further investigation. Our other findings revealed that DNA released by chemotherapy-killed cells induces TLR9-mediated invasion in living cancer cells. Normally, extracellular self-DNA is degraded by enzymes, but during massive cell death, for example during chemotherapy, the degradation machinery may be exhausted and self-DNA is taken up into living cells activating TLR9. We also discovered that the malaria drug chloroquine, an inhibitor of autophagy and TLR9 signalling does not inhibit TNBC growth in vivo, independently of the TLR9 status. Finally, we found that ERα as well as the sex hormones estrogen and testosterone regulate TLR9 expression and activity in breast cancer cells in vitro. As a conclusion, we suggest that TLR9 is a potential biomarker in TNBC. ------- Sisäsyntyisen immuniteetin tehtävä on tunnistaa mikrobien molekyylirakenteita, mikä saa aikaan adaptiivisen immuunijärjestelmän aktivoitumisen. Tollin kaltainen reseptori 9 (TLR9) on dna:ta tunnistava sisäsyntyisen immuniteetin reseptori, jota ilmennetään myös useissa syövissä, kuten rintasyövässä. Rintasyöpä on naisten yleisin syöpä, johon joka kahdeksas nainen sairastuu elämänsä aikana. Kliinisesti rintasyöpä jaotellaan kolmeen alatyyppiin, joista kolmoisnegatiivinen rintasyöpä on aggressiivisin. Tämän tyypin syövät eivät ilmennä hormonireseptoreja (estrogeeni- ja progesteronireseptori) tai HER2-reseptoria. Tästä johtuen kolmoisnegatiivisten potilaiden hoitoon ei voida käyttää rintasyövän nykyisten hoitosuositusten mukaisia täsmähoitoja. Kolmoisnegatiivinen rintasyöpä ei kuitenkaan ole yksi sairaus, koska molekyylitasolla sen on osoitettu koostuvan lukuisista, biologialtaan erilaisista syöpämuodoista. Tällä hetkellä kliinisessä käytössä ei ole biomarkkeria, jonka avulla kolmoisnegatiivisen rintasyövän alatyypit voisi erottaa toisistaan. Löysimme uuden kolmoisnegatiivisen syövän alatyypin, joka ilmentää vain vähän TLR9-proteiinia. Tällä alatyypillä on erittäin huono ennuste ja tulostemme perusteella TRL9-tason selvittäminen voisi seuloa huonoennusteiset syövät kolmoisnegatiivisten syöpien joukosta. Kehitimme eläinmallin, jolla voidaan tutkia matalan ja korkean TLR9-tason vaikutuksia kolmoisnegatiivisten kasvainten hoitovasteeseen. Toinen löytömme oli, että kemoterapialla tapettujen syöpäsolujen dna saa aikaan elävien syöpäsolujen TLR9-välitteistä invaasiota. Normaalisti entsyymit hajoittavat yksilön oman solunulkoisen dna:n. Erikoistilanteissa, kuten syöpähoitojen yhteydessä, jolloin solukuolema on massiivista, elimistön oma koneisto ei ehdi tuhoamaan solunulkoista dna:ta ja sitä voi kertyä eläviin soluihin, joissa se aktivoi TLR9:n. Kolmanneksi havaitsimme, että malarialääke klorokiini, joka estää TLR9:n toimintaa ja jolla on syövänvastaisia vaikutuksia soluviljelyolosuhteissa, ei estänyt TLR9-positiivisten tai TLR9-negatiivisten kasvainten kasvua käyttämässämme eläinmallissa. Neljänneksi soluviljelykokeittemme tulokset osoittivat, että sukupuolihormonit estrogeeni ja testosteroni sekä estrogeenireseptori osallistuvat TLR9:n ilmentymisen ja aktiivisuuden säätelyyn. Tuloksemme osoittavat, että TLR9 potentiaalinen biomarkkeri kolmoisnegatiivisessa rintasyövässä.

Expression of toll-like receptors by human muscle cells in vitro and in vivo:TLR3 is highly expressed in inflammatory and HIV myopathies, mediates IL-8 release and up-regulation of NKG2D-ligands

The particular microenvironment of the skeletal muscle can be the site of complex immune reactions. Toll-like receptors (TLRs) mediate inflammatory stimuli from pathogens and endogenous danger signals and link the innate and adaptive immune system. We investigated innate immune responses in human muscle. Analyzing TLR1-9 mRNA in cultured myoblasts and rhabdomyosarcoma cells, we found constitutive expression of TLR3. The TLR3 ligand Poly (I:C), a synthetic analog of dsRNA, and IFN-gamma increased TLR3 levels. TLR3 was mainly localized intracellularly and regulated at the protein level. Poly (I:C) challenge 1) activated nuclear factor-kappaB (NF-kappaB), 2) increased IL-8 release, and 3) up-regulated NKG2D ligands and NK-cell-mediated lysis of muscle cells. We examined muscle biopsy specimens of 6 HIV patients with inclusion body myositis/polymyositis (IBM/PM), 7 cases of sporadic IBM and 9 nonmyopathic controls for TLR3 expression. TLR3 mRNA levels were elevated in biopsy specimens from patients with IBM and HIV-myopathies. Muscle fibers in inflammatory myopathies expressed TLR3 in close proximity of infiltrating mononuclear cells. Taken together, our study suggests an important role of TLR3 in the immunobiology of muscle, and has substantial implications for the understanding of the pathogenesis of inflammatory myopathies or therapeutic interventions like vaccinations or gene transfer.

La régulation de l’hepcidine à travers les récepteurs Toll-like dans les macrophages

L'interaction entre le système immunitaire et le métabolisme du fer est bien illustrée par l'anémie des maladies chroniques (ACD), qui est fréquemment rencontrée dans les infections chroniques, l'inflammation et le cancer. La majorité des modifications dans les paramètres du fer observées dans l’ACD tient compte des modifications de l’homéostasie du fer, avec la délocalisation du métal de la circulation et les sites de l'érythropoïèse au compartiment de stockage dans les macrophages. Les mécanismes de la réponse hyposidérémique impliquent des cytokines, notamment TNF-alpha et IL-6, qui régulent les niveaux de plusieurs gènes du métabolisme du fer, y compris les transporteurs de fer et de l'hepcidine, un régulateur négatif de l’absorption du fer, ce qui entraîne l'inhibition de l'exportation du fer à travers la ferroportine 1 (FPN1) au niveau de l'intestin et les macrophages. Des études antérieures ont montré que l'IL-6 induit l’expression d’hepcidine dans les hépatocytes, mais il y a très peu de données concernant la façon par laquelle l'hepcidine et la FPN1 sont régulées dans les macrophages. Récemment, nous avons constaté que l'induction de l'hepcidine dans le foie par le lipopolysaccharide (LPS) dépend de la voie de signalisation médiée par le récepteur Toll-like 4 (TLR4). Le but de ce travail est d’identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages et de déterminer l’exigence des TLRs dans l’induction de l’hepcidine et le développement d’hyposidérémie. En plus, nous voulons étudier l’effet de l’inflammation causée par les ligands des TLRs sur le taux de fer sérique, la production des cytokines et l'expression de l’hepcidine et de la ferroportine. D’autre part nous voulons étudier l’effet du taux du fer sur la production d’IL-6 macrophagique en réponse à la stimulation par le TLR4. D'abord, pour identifier les ligands des TLRs capables d'induire l'hepcidine dans les macrophages, nous avons traité les macrophages RAW 264.7 et les macrophages péritonéaux de souris (MPMs) avec différents ligands TLRs et on a mesuré l’expression de l'hepcidine par qRT-PCR. Nous avons observé que Pam3CSK4 (Pam), un ligand de TLR2/1; LPS, un ligand de TLR-4 et FSL1 un ligand de TLR2/6 induisent l’expression de l'hepcidine dans les cellules RAW 264.7 et les MPMs, contrairement au polyinosinic: polycytidylic acid (Poly I: C), un ligand de TLR3. De plus, LPS était capable de réprimer l’expression de la ferroportine dans les cellules RAW 264.7. Afin de mieux définir la nécessité des TLRs pour assurer cette expression, nous avons utilisé les souris TLR-2 knock-out et on a établi que l'expression de l'hepcidine dans les macrophages par LPS, Pam ou FSL1 est dépendante du TLR2. En accord avec les expériences in vitro, les études effectuées in vivo ont montré que LPS réprime l’expression de la ferroportine, ainsi que PolyI:C n’est pas capable de stimuler l'expression d'hepcidine hépatique, par contre il était efficace pour déclencher une hyposidérémie. Ensuite, on voulait déterminer la voie de signalisation utilisée dans l’induction de l’hepcidine dans les macrophages. Comme il y deux voies majeures connues pour la signalisation des TLRs : une dépendante et l’autre indépendante de la protéine MyD88, on a étudié l’expression de l’hepcidine dans les MPMs isolés des souris MyD88-/- et nous avons constaté que l'absence de signalisation MyD88 abolit l'induction de l'hepcidine déclenchée par Pam, LPS et FSL1. D’autre part, la stimulation avec du LPS induisait in vivo la production d’IL-6 et de TNF-alpha, et la stimulation d’IL-6 était renforcée in vitro par la présence du fer. Ces observations indiquent que l’expression de HAMP (Hepcidin Antimicrobial Peptide) dans les macrophages peut être régulée par différents TLRs, ce qui suggère que la production d'hepcidine macrophagique fait partie d'une réponse immunitaire activées par les TLRs.

Rôle des récepteurs Toll-like et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la régulation de l’hepcidine et le développement des hyposidérémies associées à l’inflammation

Le fer est un oligo-élément nécessaire pour le fonctionnement normal de toutes les cellules de l'organisme et joue un rôle essentiel dans de nombreuses fonctions biologiques. Cependant, le niveau de fer dans le corps doit être bien réglé, sinon la carence en fer entraine des divers états pathologiques tels que l'anémie et la diminution de l’immunité. D'autre part, une surcharge en fer potentialise la multiplication des germes, aggrave l’infection et la formation de radicaux libres ayant des effets toxiques sur les cellules et leurs composants, ce qui favorise les maladies cardio-vasculaires, l'inflammation et le cancer. L'hepcidine (HAMP), un régulateur négatif de l'absorption du fer, induit la dégradation de la ferroportine (FPN), le seul exportateur connu de fer ce qui réduit sa libération par les macrophages et inhibe son absorption gastro-intestinale. HAMP est synthétisé principalement par les hépatocytes, mais aussi par les macrophages. Cependant, il y a très peu de données sur la façon dont HAMP est régulé au niveau des macrophages. Plus récemment, nous avons constaté que l’induction de l’hepcidin dans le foie par le polysaccharide (LPS) est dépendante de la voie de signalisation médiée par « Toll-like receptor 4 » (TLR4). Grâce au TLR4, le LPS induit l'activation des macrophages qui sécrètent de nombreuses différentes cytokines inflammatoires, y compris Interleukine 6 (IL-6), responsable de l'expression de HAMP hépatique. Dans le premier chapitre de la présente étude, nous avons étudié la régulation de HAMP dans la lignée cellulaire macrophagique RAW264.7 et dans les macrophages péritonéaux murins stimulés par différents ligands des TLRs. Nous avons constaté que TLR2 et TLR4 par l'intermédiaire de la protéine adaptatrice « myeloid differentiation primary response gene 88 » (MyD88) activent l'expression de HAMP dans les cellules RAW264.7 et les macrophages péritonéaux sauvages murins, tandis que cette expression a été supprimée dans les macrophages isolés des souris TLR2-/-, TLR4-déficiente ou MyD88-/-. En outre, nous avons constaté que la production d'IL-6 par les cellules RAW264.7 stimulées avec du LPS a été renforcée par l’ajout des quantités élevées de fer dans le milieu de culture. Au cours de l’inflammation, le niveau de HAMP est fortement augmenté. Ainsi, lorsque l'inflammation persiste, l’expression de HAMP continue à être activée par des cytokines pro-inflammatoires conduisant à une hyposidérémie. Malgré que cette dernière soit considérée comme une défense de l'hôte pour priver les micro-organismes de fer, celle ci cause un développement d'anémies nommées anémies des maladies chroniques. Ainsi, dans le deuxième chapitre de la présente étude, nous avons étudié l'implication des TLRs et leurs protéines adaptatrices MyD88 et TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β (TRIF) dans le développement des hyposidérémies. En utilisant des souris déficientes en MyD88 et TRIF, nous avons montré que les voies de signalisations MyD88 et TRIF sont essentielles pour l’induction de HAMP par le LPS. Malgré l'absence de HAMP, les souris déficientes ont été capables de développer une hyposidérémie, mais la réponse des souris déficientes en MyD88 a été très légère, ce qui indique l'exigence de cette protéine pour assurer une réponse maximale au LPS. En outre, nous avons constaté que la signalisation MyD88 est nécessaire pour le stockage du fer au niveau de la rate, ainsi que l'induction de lipocaline 2 (LCN2), qui est une protéine impliquée dans la fixation du fer pour limiter la croissance bactérienne. Indépendamment de MyD88 ou TRIF, l'activation de TLR4 et TLR3 a conduit, au niveau de la rate, à une diminution rapide de l’expression de FPN et du « Human hemochromatosis protein » (HFE) qui est une protéine qui limite la séquestration du fer cellulaire à partir de la circulation. Cependant, malgré cette baisse d’expression, le manque de la signalisation MyD88 a altéré de manière significative la réponse hyposidérémique. En établissant le rôle des TLRs et de la protéine adaptatrice MyD88 dans la diminution du taux du fer sérique au cours de la réponse inflammatoire, nous avons remarqué qu’en réponse au surcharge en fer les souris déficientes en MyD88 accumulent de manière significative plus de fer hépatique par rapport aux souris sauvages, et cela indépendamment des TLRs. Ainsi, dans le troisième chapitre de la présente étude, nous avons étudié le phénotype observé chez les souris déficientes en MyD88. Nous avons trouvé que l'expression de HAMP chez ces souris a été plus faible que celle des souris de type sauvage. Pour cela, nous avons exploré la signalisation à travers la voie du « Bone Morphogenetic Proteins 6 » (BMP6) qui est considérée comme étant la voie fondamentale de la régulation de HAMP en réponse aux concentrations du fer intracellulaires et extracellulaires et nous avons trouvé que l'expression protéique de Smad4, un régulateur positif de l'expression de HAMP, est significativement plus faible chez les souris MyD88-/- par rapport aux souris sauvages. En outre, on a montré que MyD88 interagit avec « mothers against decapentaplegic, Drosophila, homolog 4 » (Smad4) et que cette interaction est essentielle pour l’induction de HAMP à travers la voie BMP6. En conclusion, notre étude montre que l'expression de HAMP dans les macrophages est régulée principalement par TLR2 et TLR4 à travers la voie MyD88 et que l'accumulation du fer dans les macrophages peut affecter les niveaux des cytokines pro-inflammatoires. En outre, nos analyses démontrent que le développement d’hyposidérémie en réponse au LPS se produit par l'intermédiaire d’un mécanisme dépendant de MyD88 qui est dissociée de la production de cytokines et de HAMP. En plus, nos recherches montrent que MyD88 est nécessaire pour l'expression de Smad4 et cela pour garantir une réponse optimale à travers la signalisation BMP6, conduisant ainsi à une expression adéquate de HAMP. Enfin, la protéine MyD88 joue un rôle crucial dans, la régulation de HAMP au niveau des macrophages, la diminution du taux du fer sérique en réponse au LPS et le maintien de l'homéostasie du fer.