Immune Evasion by Yersinia enterocolitica: Differential Targeting of Dendritic Cell Subpopulations In Vivo

CD4+ T cells are essential for the control of Yersinia enterocolitica (Ye) infection in mice. Ye can inhibit dendritic cell (DC) antigen uptake and degradation, maturation and subsequently T-cell activation in vitro. Here we investigated the effects of Ye infection on splenic DCs and T-cell proliferation in an experimental mouse infection model. We found that OVA-specific CD4+ T cells had a reduced potential to proliferate when stimulated with OVA after infection with Ye compared to control mice. Additionally, proliferation of OVA-specific CD4+ T cells was markedly reduced when cultured with splenic CD8α+ DCs from Ye infected mice in the presence of OVA. In contrast, T-cell proliferation was not impaired in cultures with CD4+ or CD4−CD8α− DCs isolated from Ye infected mice. However, OVA uptake and degradation as well as cytokine production were impaired in CD8α+ DCs, but not in CD4+ and CD4−CD8α− DCs after Ye infection. Pathogenicity factors (Yops) from Ye were most frequently injected into CD8α+ DCs, resulting in less MHC class II and CD86 expression than on non-injected CD8α+ DCs. Three days post infection with Ye the number of splenic CD8α+ and CD4+ DCs was reduced by 50% and 90%, respectively. The decreased number of DC subsets, which was dependent on TLR4 and TRIF signaling, was the result of a faster proliferation and suppressed de novo DC generation. Together, we show that Ye infection negatively regulates the stimulatory capacity of some but not all splenic DC subpopulations in vivo. This leads to differential antigen uptake and degradation, cytokine production, cell loss, and cell death rates in various DC subpopulations. The data suggest that these effects might be caused directly by injection of Yops into DCs and indirectly by affecting the homeostasis of CD4+ and CD8α+ DCs. These events may contribute to reduced T-cell proliferation and immune evasion of Ye

Modulation of immunological functions of dendritic cells by Yersinia enterocolitica in vivo

Dendritische Zellen (DCs) sind als „professionelle“ antigenpräsentierende Zellen vor allem effizient in der Lage, Antigene aufzunehmen, zu prozessieren und auf ihrer Zellöberfläche zu präsentieren. Die Expression von MHC-Peptid-Komplex und kostimulatorische Moleküle befähigen DCs zur Induktion einer Antigenspezifischen T-Zell-Antwort. Aufgrund dieser Eigenschaften sind DCs ein adäquates Ziel bakterieller Immunevasionsstrategien, um einer antibakterielle Immunantwort entgegenzuwirken. Das darmpathogene Bakterium Yersinia enterocolitica (Ye) hat immunmodulatorische Mechanismen mit Hilfe seiner Pathogenitätsfaktoren entwickelt, um dem Angriff durch das Immunsystem zu entgehen, um eine Infektion im Wirt zu etablieren. In der vorliegenden Dissertation wurde das Ye-Mausmodell verwendet, um die Interaktion von DCs mit Bakterien zu untersuchen. Zu Beginn der Arbeit war bekannt, dass Ye die T-Zellantwort durch DCs in vitro vollständig hemmt. Dies erklärte sich daraus, dass Ye die Antigenaufnahme, Maturation und die Zytokinproduktion der DCs in vitro blockiert. Ebenso konnte gezeigt werden, dass Ye Nekrose und Apoptose in Knochenmark-DCs induziert. Darauf basierend wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht: (1) ob und welche Funktionen der DC-Subpopulationen durch Ye in vivo gehemmt werden (2) ob Ye Zelltod von DC-Subpopulationen induziert und ob die Entwicklung bzw. Rekrutierung neuer cDCs beeinträchtigt wird und (3) ob der Pathogenitätsfaktor YopP von Ye den hemmenden Effekt auf die Funktionen der DCs in vitro ebenfalls im Mausmodell bestätigt. (1) Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass Ye die T-Zellaktivierung durch DCs, vor allem durch die CD8alpha+DCs, hemmt. Die Gründe für die reduzierte T-Zellproliferation zeigte sich in der Abnahme der Antigenaufnahme und Antigenprozessierung der CD8alpha+DCs im Verlauf der Infektion. Desweitern führt die Infektion mit Ye zu einem extremen Verlust an CD4+DCs und CD8alpha+DCs in der Milz, abhängig vom TLR4- und TRIF-Signaltransduktionsweg. (2) Die Erklärung für die ausgeprägte Abnahme der CD4+DCs und CD8alpha+DCs in der Milz im Verlauf der Infektion konnte durch eine leicht erhöhte Zelltodrate mit gleichzeitig erhöhtem Turnover der DCs gezeigt werden. Zusätzlich beeinträchtigt Ye die Homeostase der spezifischen DC-Subpopulationen. Dieser extreme DC-Verlust und die beeinträchtigte DC-Funktion führt letztendlich zur Abnahme der T-Zell-Aktivierung in vivo. (3) In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Pathogenitätsfaktor YopP von Ye einen hemmenden Einfluss auf die T-Zellaktivierung in vivo besitzt, jedoch nicht als hauptverantwortlich identifiziert werden kann. Dieser hemmende Einfluss von YopP auf die T-Zell-Aktivierung ist die Folge der Beeinträchtigung der Antigenaufnahme der CD8alpha+DCs. Zusätzlich induziert YopP die Maturation in der fühen Immunantwort, hemmt diese jedoch vor allem bei den CD8alpha+DCs und den DN DCs drei Tage nach Infektion. Die Zytokinproduktion der DC-Subpopulationen wird durch YopP im frühen Verlauf induziert. Durch die hohe TNF-alpha-Ausschüttung und wahrscheinlich durch die Hemmung von NF-kB trägt YopP zum Zelltod von CD4+DCs in der Milz bei, welcher abhängig vom MyD88-Signaltransduktionsweg ist. Somit ist YopP ein wichtiger Pathogenitätsfaktor, der zur bakteriellen Immunevasion der DC-Subpopulationen beiträgt. Die im Rahmen dieser Dissertation erzielten Erkenntnisse über das Verhalten der cDCs innerhalb einer bakteriellen Infektion können einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Immunabwehr leisten und die Entwicklung neuer Therapiestrategien unterstützen.Dendritic cells (DCs) are professional antigen presenting cells which capture, process antigens and present antigens them on their surface. The expression of MHC-peptide complex and as well as of costimulatory molecules enables DCs to induce antigen-specific T cell response. Through this property however, DCs are an appropriate target for bacterial immune evasion strategies. To escape the attack of the immune system, the enteric pathogenic bacterium Yersinia enterocolitica (Ye) has developed immunomodulatory mechanisms through its virulence factors to establish an infection in the host. In this thesis, the Ye-mouse model was used to study the interaction of DCs with bacteria. At the beginning of the study it was known that Ye completely inhibits T-cell responses by bonemarrow-derived DCs (BMDCs) in vitro. This is caused by the inhibition of antigen uptake, maturation and cytokine production of DCs by Ye in vitro. Similarly, it was shown that Ye induced necrosis and apoptosis in BMDCs. Based on these findings I investigated: (1) whether the functions of DC subsets are inhibited by Ye in vivo (2) whether Ye induces cell death of DC subpopulations and whether the development or recruitment of new DCs will be affected and (3) whether the pathogenicity of Yersinia outer protein P (YopP) inhibits the functions of DCs in vivo. (1) In the context of this work it could be shown that Ye inhibits T-cell activation by DCs, in particular by CD8alpha+DCs. The reasons for the reduced T-cell proliferation were found in the reduction of antigen uptake and antigen processing of CD8alpha+DCs during infection. Infection with Ye leads to an extreme loss of CD4+DCs and CD8alpha+DCs in the spleen, dependent on the TLR4-and TRIF-pathway. (2) The high decrease of CD4+DCs and CD8alpha+DCs in the spleen during infection can be explained by a slight increase in cell death as well as an increase in the proliferation rate of DCs at the same time. In addition, Ye affect the homeostasis of specific DC subsets. The extreme loss of DC-subpopulations as well as the impairment of DC-development and DC-function leads to a loss of T-cell activation in vivo. (3) In this study it was shown that the pathogenicity of Ye YopP possesses an inhibitory effect on T cell activation in vivo. However, YopP cannot be identified as primarily responsible. This inhibitory effect of YopP on T-cell activation is the result of the impairment of antigen uptake of CD8alpha+DCs. In addition, YopP induces initial maturation of DC subpopulations, but inhibits especially the maturation of CD8alpha+DCs and DN DCs three days after infection. The cytokine production of DC subsets is induced by YopP early during the course of infection. The high TNF-alpha secretion and probably the inhibition of NF-kB through YopP contributes to cell death of CD4+DCs in the spleen, which is dependent on the MyD88 signaling pathway. The results show that YopP is an important virulence factor that contributes to bacterial immune evasion of DC subpopulations. In conclusion these novel in vivo data provide further understanding of the immune system during bacterial infections and hence support the development of new therapeutic strategies