The Immune Response to Mycobacteria of Distinct Virulence

Abstract

Multidrug resistant strains and the HIV epidemic strongly contributed to Tuberculosis (TB) reemerging again as a major health problem worldwide. The cell wall of M. tuberculosis is considered a major determinant of virulence. A main component of the cell wall is the mannose-capped lipoarabinomannan (ManLAM), which appears to play a key role in host cell recognition and immunomodulation. However, while mannose caps have been reported to be responsible for various immunosuppressive activities of ManLAM observed in vitro, there is conflicting evidence about their contribution to mycobacterial virulence in vivo. Furthermore, the presence of ManLAM molecules also in the vaccine strain M. bovis BCG may account for its failure to induce long-lasting immunity. We used M. bovis BCG and M. tuberculosis mutants that lack the mannose cap of LAM to assess the role of ManLAM in the interaction of mycobacteria with the host cells, to evaluate vaccineinduced protection and to determine its importance in M. tuberculosis virulence. Deletion of the mannose cap did not affect BCG survival and replication in phagocytes and in mice, nor the efficacy of vaccination against a M. tuberculosis challenge in mice and guinea pigs. Finally, the lack of the mannose cap in M. tuberculosis did not affect its virulence in mice nor in macrophages. Besides the immunomodulatory molecules that constitute the cell envelope, pathogenic mycobacteria rely also in protein transport systems, essential to secrete virulence factors. The involvement of secretion systems ESX-1 in mycobacteria virulence is clear, with the ESAT-6/CFP-10 complex among the most important antigens secreted by M. tuberculosis. ESX-5 was the second ESX system implicated in mycobacteria pathogenicity and several studies show that has an important contribution to M. marinum and M. tuberculosis virulence. Each one of these ESX systems fails to complement the loss of virulence caused by deletion of the other, suggesting that they have independent contributions during mycobacterial infections, but also, that both ESX systems must be present for full mycobacterial virulence. However, no data exist on mutant mycobacteria lacking both secretion systems. Using the natural ESX-1 mutant BCG, we show that the presence of ESX-5 is crucial to BCG maintain its virulence, with depletion of ESX-5 leading to a strong attenuation of BCG even in immunocompromised mice. In this work we show that the absence of the mannose caps of LAM does not affect mycobacterial virulence, and we demonstrated the fundamental contribution of the protein export system ESX-5 into mycobacteria acquiring full virulence. We hope the knowledge generate in this work can contribute for the development of better tools against tuberculosis.

Apesar dos progressos científicos, a tuberculose continua a ser a segunda maior causa de morte por doença infecciosa no mundo, tendo o aparecimento de estirpes multirresistentes e a coinfecção com HIV contribuído de uma forma significativa para que se mantenha um grave problema de saúde à escala global. A parede celular do M. tuberculosis contribui de forma determinante para a sua virulência. Um dos seus principais constituintes é o lipoarabinomanano (LAM), um glicolípido complexo, onde a presença de um “capuz” de resíduos de manose (Man) parece ser fundamental para a interação com o hospedeiro e efeitos imunossupressores que exerce. No entanto, muitos dos efeitos descritos para o ManLAM foram observados em experiências in vitro, pelo que a sua contribuição para a virulência da micobactéria in vivo é ainda duvidosa. Para além disso, a presença de ManLAM no M. bovis BCG, poderá ser responsável pela baixa eficácia que a vacina apresenta na indução de uma resposta protetora contra a tuberculose. De modo a testar a importância do ManLAM in vivo, foram construídos mutantes (M. bovis BCG e M. tuberculosis) incapazes de sintetizar o “capuz” de manose, e avaliado o modo como estas bactérias interagem com as células do hospedeiro, a capacidade que têm para gerar uma resposta imunitária protetora e a forma como a sua virulência é afectada. Observámos que a ausência do “capuz” de manose do LAM não afectou a sobrevivência e replicação do BCG em células fagocíticas e ratinhos, nem a sua eficácia na indução de uma resposta protetora contra a infeção por M. tuberculosis em ratinhos e porquinhos-da-índia. A ausência do “capuz” de manose também não afectou a virulência do M. tuberculosis em ratinhos ou macrófagos. Para além das moléculas imunomoduladoras que constituem a parede celular, as micobactérias patogénicas possuem também sistemas de secreção essenciais para exportar factores de virulência. A contribuição do sistema de secreção ESX-1 para a virulência do M. tuberculosis é incontestável, com o complexo ESAT-6/CFP-10 entre os antigénios exportados mais importantes. Recentemente, vários estudos demonstraram que existe um segundo sistema de secreção, o ESX-5, que tem também uma importante contribuição para a virulência de M. marinum e M. tuberculosis. O facto de cada um destes sistemas ser incapaz de compensar a perda de virulência que ocorre aquando da remoção de um deles sugere que os dois ESX têm contribuições diferentes no decorrer da infeção. Estes factos sugerem ainda que ambos ESX têm de estar presentes para que a micobactéria possua uma virulência completa. Contudo, para validar esta hipótese é necessário a remoção dos dois sistemas. Deste modo, e utilizando a estirpe BCG, que já é um mutante natural para o sistema ESX-1, verificámos que a deleção do segundo sistema, ESX-5, resultou numa forte atenuação da virulência do BCG, que se manteve inclusive em ratinho imunocomprometidos. Em conclusão, neste trabalho, mostrámos que o “capuz” de manose do LAM parece não ser um factor determinante na virulência da micobactéria. Demonstrámos ainda a contribuição fundamental do sistema ESX-5 para a virulência da micobactéria. Esperamos que o conhecimento gerado neste trabalho possa contribuir no futuro para o desenvolvimento de melhores ferramentas no combate à tuberculose.