Proteomics fingerprinting of phagosome maturation and evidence for the role of a Galpha during uptake.

Phagocytosis, whether of food particles in protozoa or bacteria and cell remnants in the metazoan immune system, is a conserved process. The particles are taken up into phagosomes, which then undergo complex remodeling of their components, called maturation. By using two-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry combined with genomic data, we identified 179 phagosomal proteins in the amoeba Dictyostelium, including components of signal transduction, membrane traffic, and the cytoskeleton. By carrying out this proteomics analysis over the course of maturation, we obtained time profiles for 1,388 spots and thus generated a dynamic record of phagosomal protein composition. Clustering of the time profiles revealed five clusters and 24 functional groups that were mapped onto a flow chart of maturation. Two heterotrimeric G protein subunits, Galpha4 and Gbeta, appeared at the earliest times. We showed that mutations in the genes encoding these two proteins produce a phagocytic uptake defect in Dictyostelium. This analysis of phagosome protein dynamics provides a reference point for future genetic and functional investigations.

Caractérisation moléculaire de la modulation spatio-temporelle des fonctions du phagosome

La phagocytose est un processus par lequel des cellules spécialisées du système immunitaire comme les macrophages ingèrent des microorganismes envahisseurs afin de les détruire. Les microbes phagocytés se retrouvent dans un compartiment intracellulaire nommé le phagosome, qui acquiert graduellement de nombreuses molécules lui permettant de se transformer en phagolysosome possédant la capacité de tuer et dégrader son contenu. L’utilisation de la protéomique a permis de mettre en évidence la présence de microdomaines (aussi nommés radeaux lipidiques ou radeaux membranaires) sur les phagosomes des macrophages. Notre équipe a démontré que ces radeaux exercent des fonctions cruciales au niveau de la membrane du phagosome. D’abord nous avons observé que la survie du parasite intracellulaire L. donovani est possible dans un phagosome dépourvu de radeaux lipidiques. Parallèlement nous avons constaté qu’un mutant de L. donovani n’exprimant pas de LPG à sa surface(LPG-) est rapidement tué dans un phagosome arborant des radeaux membranaires. Pour comprendre le mécanisme de perturbation des microdomaines du phagosome par la molécule LPG, nous avons provoqué la phagocytose de mutants LPG- du parasite et comparé par microscopie les différences avec le parasite de type sauvage. Nous avons ainsi démontré que le LPG de L. donovani est nécessaire et suffisant au parasite pour empêcher la maturation normale du phagosome. Nous avons également découvert que la molécule LPG permet d’empêcher la formation des radeaux lipidiques sur le phagosome et peut aussi désorganiser les radeaux lipidiques préexistants. Enfin, nous avons montré que l’action de LPG est proportionnelle au nombre d’unités répétitives de sucres (Gal(β1,4)-Manα1-PO4) qui composent cette molécule. Nos travaux ont démontré pour la première fois le rôle important de ces sous-domaines membranaires dans la maturation du phagosome. De plus, nos conclusions seront des pistes à suivre au cours des études cliniques ayant pour but d’enrayer la leishmaniose. Le second objectif de ce travail consistait à effectuer la caractérisation des radeaux lipidiques par une analyse protéomique et lipidomique à l’aide de la spectrométrie de masse. Nous avons ainsi entrepris l’identification systématique des protéines présentes dans les radeaux membranaires des phagosomes et ce, à trois moments clés de leurmaturation. Le traitement des phagosomes purifiés avec un détergent nous a permis d’isoler les «Detergent Resistent Membranes» (DRMs) des phagosomes, qui sont l’équivalent biochimique des radeaux membranaires. Nous avons ainsi établi une liste de 921 protéines associées au phagosome, dont 352 sont présentes dans les DRMs. Les protéines du phagosome sont partagées presque également entre trois tendances cinétiques (augmentation, diminution et présence transitoire). Cependant, une analyse plus spécifique des protéines des DRMs démontre qu’une majorité d’entre elles augmentent en fonction de la maturation. Cette observation ainsi que certains de nos résultats montrent que les radeaux lipidiques des phagosomes précoces sont soit très peu nombreux, soit pauvres en protéines, et qu’ils sont recrutés au cours de la maturation du phagosome. Nous avons aussi analysé les phospholipides du phagosome et constaté que la proportion entre chaque classe varie lors de la maturation. De plus, en regardant spécifiquement les différentes espèces de phospholipides nous avons constaté que ce ne sont pas uniquement les espèces majoritaires de la cellule qui dominent la composition de la membrane du phagosome. L’ensemble de nos résultats a permis de mettre en évidence plusieurs fonctions potentielles des radeaux lipidiques, lesquelles sont essentielles à la biogenèse des phagolysosomes (signalisation, fusion membranaire, action microbicide, transport transmembranaire, remodelage de l’actine). De plus, la cinétique d’acquisition des protéines de radeaux lipidiques indique que ceux-ci exerceraient leurs fonctions principalement au niveau des phagosomes ayant atteint un certain niveau de maturation. L’augmentation du nombre de protéines des radeaux membranaires qui s’effectue durant la maturation du phagosome s’accompagne d’une modulation des phospholipides, ce qui laisse penser que les radeaux membranaires se forment graduellement sur le phagosome et que ce ne sont pas seulement les protéines qui sont importées.

L'évolution du phagosome

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique.

A role for the phagosome in cytokine secretion

Membrane traffic in activated macrophages is required for two critical events in innate immunity: proinflammatory cytokine secretion and phagocytosis of pathogens. We found a joint trafficking pathway linking both actions, which may economize membrane transport and augment the immune response. Tumor necrosis factor alpha (TNF alpha) is trafficked from the Golgi to the recycling endosome (RE), where vesicle-associated membrane protein 3 mediates its delivery to the cell surface at the site of phagocytic cup formation. Fusion of the RE at the cup simultaneously allows rapid release of TNF alpha and expands the membrane for phagocytosis.

Étude protéomique et bioinformatique du phagosome de la drosophile

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rôle du réticulum endoplasmique lors de la phagocytose et l'implication de son recrutement sur les fonctions du phagosome

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude protéomique et bioinformatique du phagosome de la drosophile

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rôle du réticulum endoplasmique lors de la phagocytose et l'implication de son recrutement sur les fonctions du phagosome

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Protein disulfide isomerase (PDI) associates with NADPH oxidase and is required for phagocytosis of Leishmania chagasi promastigotes by macrophages

PDI, a redox chaperone, is involved in host cell uptake of bacteria/viruses, phagosome formation, and vascular NADPH oxidase regulation. PDI involvement in phagocyte infection by parasites has been poorly explored. Here, we investigated the role of PDI in in vitro infection of J774 macrophages by amastigote and promastigote forms of the protozoan Leishmania chagasi and assessed whether PDI associates with the macrophage NADPH oxidase complex. Promastigote but not amastigote phagocytosis was inhibited significantly by macrophage incubation with thiol/PDI inhibitors DTNB, bacitracin, phenylarsine oxide, and neutralizing PDI antibody in a parasite redox-dependent way. Binding assays indicate that PDI preferentially mediates parasite internalization. Bref-A, an ER-Golgi-disrupting agent, prevented PDI concentration in an enriched macrophage membrane fraction and promoted a significant decrease in infection. Promastigote phagocytosis was increased further by macrophage overexpression of wild-type PDI and decreased upon transfection with an antisense PDI plasmid or PDI siRNA. At later stages of infection, PDI physically interacted with L. chagasi, as revealed by immunoprecipitation data. Promastigote uptake was inhibited consistently by macrophage preincubation with catalase. Additionally, loss-or gain-of-function experiments indicated that PMA-driven NADPH oxidase activation correlated directly with PDI expression levels. Close association between PDI and the p22phox NADPH oxidase subunit was shown by confocal colocalization and coimmunoprecipitation. These results provide evidence that PDI not only associates with phagocyte NADPH oxidase but also that PDI is crucial for efficient macrophage infection by L. chagasi. J. Leukoc. Biol. 86: 989-998; 2009.

Pore Formation Triggered by Legionella spp. Is an Nlrc4 Inflammasome-Dependent Host Cell Response That Precedes Pyroptosis

Legionella pneumophila, the etiological agent of Legionnaires disease, is known to trigger pore formation in bone marrow-derived macrophages (BMMs) by mechanisms dependent on the type IVB secretion system known as Dot/Icm. Here, we used several mutants of L. pneumophila in combination with knockout mice to assess the host and bacterial factors involved in pore formation in BMMs. We found that regardless of Dot/Icm activity, pore formation does not occur in BMMs deficient in caspase-1 and Nlrc4/Ipaf. Pore formation was temporally associated with interleukin-1 beta secretion and preceded host cell lysis and pyroptosis. Pore-forming ability was dependent on bacterial Dot/Icm but independent of several effector proteins, multiplication, and de novo protein synthesis. Flagellin, which is known to trigger the Nlrc4 inflammasome, was required for pore formation as flaA mutant bacteria failed to induce cell permeabilization. Accordingly, transfection of purified flagellin was sufficient to trigger pore formation independent of infection. By using 11 different Legionella species, we found robust pore formation in response to L. micdadei, L. bozemanii, L. gratiana, L. jordanis, and L. rubrilucens, and this trait correlated with flagellin expression by these species. Together, the results suggest that pore formation is neither L. pneumophila specific nor the result of membrane damage induced by Dot/Icm activity; instead, it is a highly coordinated host cell response dependent on host Nlrc4 and caspase-1 and on bacterial flagellin and type IV secretion system.

Microbicidal property of B1 cell derived mononuclear phagocyte

A mononuclear phagocyte derived from B1b cells (B1CDP) has been described. As these cells migrate from the peritoneal cavity to non-specific inflammatory lesion sites and are highly phagocytic via Fc and mannose receptors, their microbicidal ability of these cells was investigated using the Coxiella burnetii cell infection model in vitro. In this report, the pattern of infection and C burnetii phase II survival in B1CDP phagosomes was compared with the pattern of infection of peritoneal macrophages from Xid mice (PM phi) and bone marrow derived macrophages (BMM phi). Infection was assessed by determining the large parasitophorous vacuole formation, the relative focus forming units and the quantification of DAPI (4`,6-diamino-2-phenylindole) fluorescence images acquired by confocal microscopy. When compared to macrophages, B1CDP are more permissive to the bacterial infection and less effective to kill them. Further, results suggest that IL-10 secreted by B1 cells are involved in their susceptibility to infection by C burnetti, since B1CDP from IL-10 KO mice are more competent to control C. burnetii infection than cells from wild type mice. These data contribute further to characterize B1CDP as a novel mononuclear phagocyte. (C) 2008 Elsevier GmbH. All rights reserved.

The pattern recognition receptors Nod1 and Nod2 account for neutrophil recruitment to the lungs of mice infected with Legionella pneumophila

The intracellular bacterium Legionella pneumophila induces a severe form of pneumonia called Legionnaires diseases, which is characterized by a strong neutrophil (NE) infiltrate to the lungs of infected individuals. Although the participation of pattern recognition receptors, such as Toll-like receptors, was recently demonstrated, there is no information on the role of nod-like receptors (NLRs) for bacterial recognition in vivo and for NE recruitment to the lungs. Here, we employed a murine model of Legionnaires disease to evaluate host and bacterial factors involved in NE recruitment to the mice lungs. We found that L. pneumophila type four secretion system, known as Dot/Icm, was required for NE recruitment as dot/icm mutants fail to trigger NE recruitment in a process independent of bacterial multiplication. By using mice deficient for Nod1, Nod2, and Rip2, we found that these receptors accounted for NE recruitment to the lungs of infected mice. In addition, Rip2-dependent responses were important for cytokine production and bacterial clearance. Collectively, these studies show that Nod1, Nod2, and Rip2 account for generation of innate immune responses in vivo, which are important for NE recruitment and bacterial clearance in a murine model of Legionnaires diseases. (C) 2010 Institut Pasteur. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Flotillin-1-enriched lipid raft domains accumulate on maturing phagosomes

Flotillin-1 was recently shown to be enriched on detergent-resistant domains of the plasma membrane called lipid rafts. These rafts, enriched in sphingolipids and cholesterol, sequester certain proteins while excluding others. Lipid rafts have been implicated in numerous cellular processes including signal transduction, membrane trafficking and molecular sorting. In this study, we demonstrate both morphologically and biochemically that lipid rafts are present on phagosomes, These structures are enriched in flotillin-1 and devoid of the main phagosomes membrane protein lysosomal-associated membrane protein (LAMP1), The flotillin-1 present on phagosomes does not originate from the plasma membrane during phagocytosis but accumulates gradually on maturing phagosomes, Treatment with bafilomycin A1, a compound that inhibits the proton pump ATPase and prevents the fusion of phagosomes with late endocytic organelles, prevents the acquisition of flotillin-1 by phagosomes, indicating that this protein might be recruited on phagosomes from endosomal organelles. A proteomic characterization of the lipid rafts of phagosomes indicates that actin, the alpha- and beta -subunits of heterotrimeric G proteins, as well as subunits of the proton pump V-ATPase are among the constituents of these domains. Remarkably, the intracellular parasite Leishmania donovani can actively inhibit the acquisition of flotillin-1-enriched lipid rafts by phagosomes and the maturation of these organelles. These results indicate that specialized functions required for phagolysosome biogenesis may occur at focal points on the phagosome membrane, and therefore represent a potential target of intracellular pathogens.

Cross-presentation by WASp deficient B cells and dendritic cells

The immune system comprises of different cell types whose role is to protect us against pathogens. This thesis investigates a very important mechanism for our organism protection in a specific disorder: cross-presentation in Wiskott-Aldrich Syndrome (WAS). WAS is caused by loss-of-function mutations in the cytoskeletal regulator WASp and WAS patients suffer from eczema, thrombocytopenia, and immunodeficiency. X-linked neutropenia (XLN) is caused by gain-of-function mutations in WASp and XLN patients suffer from severe congenital neutropenia and immunodeficiency. This thesis was focused on the role of B and T lymphocytes and dendritic cells (DCs). This work will be divided into two main topics: 1) In the first part I studied the capacity of B cells to take up, degrade and present antigen. Moreover I studied the capacity of B cells to induce T cell proliferation. 2) In the second part, I studied T cell proliferation induced by dendritic cells. To increase our understanding about this mechanism, additional experiments were performed, including acidification capacity of CD8+ and CD8- DCs, reactive oxygen species (ROS) production since it is directly connected to acidification. These assays were measured by flow cytometry. Localization of Rac1 and Rac2 GTPases was assessed by confocal microscopy. Proliferation, acidification and ROS production assays were performed also with cells from X-linked neutropenia (XLN) mice. From this study we concluded that B cells cannot induce CD8+ T cell proliferation however they take up and present antigen. Moreover I have shown that increased cross-presentation by WASp KO DCs with ovalbumin is associated with decreased capacity to acidify endosomal compartment; and WASp KO CD8- DCs have increased Rac2 localization to the phagosome. XLN dendritic cells have similar acidification and ROS production capacity than wildtype cells. In conclusion, our data suggests that WASp regulates antigen processing and presentation in DCs.

Interferon-γ inhibits group B Streptococcus survival within human endothelial cells

Endothelial dysfunction is a major component of the pathophysiology of septicaemic group B Streptococcus (GBS) infections. Although cytokines have been shown to activate human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), the capacity of interferon (IFN)-γ to enhance the microbicidal activity of HUVECs against GBS has not been studied. We report that the viability of intracellular bacteria was reduced in HUVECs activated by IFN-γ. Enhanced fusion of lysosomes with bacteria-containing vacuoles was observed by acid phosphatase and the colocalisation of Rab-5, Rab-7 and lysosomal-associated membrane protein-1 with GBS in IFN-γ-activated HUVECs. IFN-γ resulted in an enhancement of the phagosome maturation process in HUVECs, improving the capacity to control the intracellular survival of GBS.