The obligate intracellular Gram-negative bacterium Coxiella burnetii replicates within phagocytes and is the causative agent of the zoonotic disease Q fever. Q fever occurs as acute self-limited respiratory infection that becomes chronic and develops into endocarditis in some patients. However, the molecular mechanisms that contribute to the development of chronic Q fever are poorly understood. In this work, we employed different mouse models and infection routes to study the course of the disease upon infection with the attenuated C. burnetii Nine Mile phase II strain (NMII). Since monocytes from patients suffering from chronic Q fever produce high amounts of the regulatory cytokine IL-10, macrophage deactivation by the IL-10-STAT3 pathway may cause inefficient control of NMII. In macIL-10tg mice that overexpress IL-10 in monocytes and macrophages, we observed significantly increased NMII loads in affected organs up to 42 days post intraperitoneal infection. In contrast, intratracheal NMII infections did not lead to a chronic phenotype in macIL-10tg mice. Further, we observed different effects of the two IL-10-induced genes, Dusp1 and Socs3, on the course of infection. Whereas a knockout of Dusp1 in mice did not have any impact on NMII control, a myeloid cell-specific deletion of Socs3 resulted in elevated NMII loads in lungs and spleens of mice after intratracheal infection. Besides IL-10-mediated macrophage deactivation, innate immune recognition of C. burnetii was hypothesized to be another checkpoint determining resolution versus chronicity of Q fever. In mice, recognition of C. burnetii by macrophages requires TLR2 and triggers production of pro- and anti-inflammatory cytokines. In humans, a single nucleotide polymorphism in the gene for the TLR adapter protein MyD88 is associated with the development of chronic Q fever. By employing MyD88-deficient mice, we observed a significantly higher NMII bacterial burden on day 5 and 20 in affected organs following intraperitoneal infection. In addition, intratracheal infection of mice resulted in a higher bacterial load in the lung and increased dissemination of NMII to other organs in MyD88-deficient mice. While wild-type mice essentially cleared NMII on day 27 after intratracheal infection, it was still readily detectable on day 42 in multiple organs in the absence of MyD88. Despite the elevated bacterial load, Myd88-/- mice had less granulomatous inflammation and expressed significantly lower levels of chemoattractants, inflammatory cytokines, and the IFNg-induced genes Nos2, Gbp1, Ido1 and Acod1 that are relevant for control of intracellular pathogens. These IFNg-
V
induced genes were validated in vitro using BMM generated from the corresponding knock out mice. Lack of Acod1, encoding the enzyme IRG1 which converts citrate to itaconate, most significantly impaired bacterial control in macrophages in vitro. In vivo, C. burnetii-infected IRG1-deficient mice showed significantly increased weight loss, increased expression of pro-inflammatory genes in spleen and lungs, and higher bacterial burden in lung tissue. These findings underpin the importance of MyD88- induced expression of IRG1 for a protective host response to C. burnetii and its role for the resolution of Q fever. Together, the establishment of different mouse models for Q fever allowed us to identify several disease-regulating host factors, which will serve as a basis for future research to determine the exact molecular mechanisms driving either chronicity or resolution of Q fever.Das obligat intrazelluläre Gram-negative Bakterium Coxiella burnetii vermehrt sich in Phagozyten und ist der Erreger der Zoonose Q-Fieber. Q-Fieber tritt als akute selbstlimitierende, mitunter chronische Atemwegsinfektion auf. Zudem entwickelt sich bei einigen Patienten eine Endokarditis. Die molekularen Mechanismen, welche zur Entstehung von chronischem Q-Fieber beitragen, sind jedoch nur unzureichend verstanden. In dieser Arbeit verwendeten wir verschiedene Mausmodelle und Infektionswege, um die Auswirkungen auf den Krankheitsverlauf bei Infektionen mit dem attenuierten C. burnetii Nine Mile Phase II-Stamm (NMII) zu untersuchen. Es wird vermutet, dass die Deaktivierung von Makrophagen durch den IL-10-STAT3- Signalweg zu einer ineffizienten Kontrolle von NMII führt, da hohe Mengen des regulatorischen Zytokins IL-10 im Blut von Patienten mit chronischem Q-Fieber gefunden wurden. In macIL-10tg-Mäusen, die IL-10 in Monozyten und Makrophagen überexprimieren, beobachteten wir bis Tag 42 nach intraperitonealen Infektion eine signifikant erhöhte NMII-Last in befallenen Organen. Im Gegensatz dazu führten intratracheale NMII-Infektionen bei der Mehrzahl der macIL-10tg-Mäuse nicht zu einem chronischen Phänotyp. Darüber hinaus beobachteten wir unterschiedliche Auswirkungen der beiden IL-10-Zielgene Dusp1 und Socs3 auf den Verlauf der Infektion. Während das Abschalten von Dusp1 bei Mäusen keinen Einfluss auf die NMII-Kontrolle hatte, führte eine myeloisch-zellspezifische Deletion von Socs3 zu erhöhten NMII-Lasten in Lunge und Milz bis zu 14 Tage nach intratrachealer Infektion. Neben der IL-10-vermittelten Makrophagen-Deaktivierung trägt auch die angeborene Immunerkennung von C. burnetii zur Entscheidung zwischen Beendigung der Infektion und Chronizität bei. So erfordert die Erkennung von C. burnetii durch Makrophagen TLR2 und löst die Produktion von pro- und anti-entzündlichen Zytokinen aus. Ein Einzelnukleotid-Polymorphismus im Gen für das TLR-Adapterprotein MyD88 ist mit der Entwicklung von chronischem Q-Fieber in Menschen assoziiert. In MyD88- defizienten Mäusen konnte 5 und 20 Tage nach intraperitonealer Infektion eine signifikant höhere NMII-Bakterienlast in betroffenen Organen gemessen werden. Im Gegensatz dazu führte eine intratracheale Infektion von Mäusen mit MyD88-Defizienz zu einer höheren Bakterienlast in der Lunge und zu einer vermehrten Ausbreitung von NMII zu anderen Organen. Während Wildtyp-Mäuse NMII im Wesentlichen am Tag 27 nach der intratrachealen Infektion eliminierten, waren die Bakterien bei Defizienz von
VII
MyD88 noch an Tag 42 in mehreren Organen nachweisbar. Trotz der erhöhten Bakterienlast wiesen Myd88-/- Mäuse weniger granulomatöse Entzündungen auf und exprimierten signifikant niedrigere Konzentrationen von Chemoattraktanten, von Entzündungsbotenstoffen und von den IFNg induzierten Genen Nos2, Gbp, Ido1 und Acod1, die für die Kontrolle intrazellulärer Pathogene relevant sind. Diese IFNg- induzierten Gene wurden in vitro mit aus Knochenmark generierten Makrophagen validiert, das aus entsprechenden Knock-out-Mäusen generiert wurde. Das Fehlen von Acod1, welches das Enzym IRG1 kodiert, welches wiederum Zitrat in Itakonat umwandelt, beeinträchtigte die Kontrolle der bakteriellen Infektion in Makrophagen in vitro am stärksten. In vivo zeigten C. burnetii-infizierte IRG1-defiziente Mäuse eine signifikant erhöhte Gewichtsabnahme, eine erhöhte Expression von entzündungs- fördernden Genen in Milz und Lunge und eine höhere Bakterienlast im Lungengewebe. Diese Befunde verdeutlichen die Bedeutung der MyD88-induzierten Expression von IRG1 für eine schützende Wirtsreaktion gegen C. burnetii und für die Auflösung des Q-Fiebers. Zusammenfassend ermöglichte uns die Etablierung verschiedener Maus- modelle für Q-Fieber die Identifizierung mehrerer krankheitsfördernder Wirtsfaktoren, die als Grundlage für zukünftige Forschung dienen werden, um die genauen molekularen Mechanismen zu bestimmen, die entweder zur Chronifizierung oder Auflösung von Q-Fiebers beitragen
