Toll-like receptor 2 and 4: Differential signaling, dimerization and the outcome in inflammation

Abstract

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de lectura: 12-07-2019Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 12-01-2021Toll-like receptors (TLRs) play a crucial role in the recognition of pathogen-derived components as a first line of defense against infections. TLR4 and TLR2 receptors play a key role due to their cell surface location and their ability to identify a diversified spectrum of pathogen components. The early signaling activation via TLR4 and TLR2 receptors was studied and the results presented in the first chapter of this work show that TLR2 ligands activated NF-κB and MAPKs earlier and exhibited a higher IL-10 /IL-12 ratio at later time points compared to TLR4 ligands. The results further show the involvement of the phosphatase MKP-1 in the control of the MAPK p38 activation and that MKP-1 contributes to pro-inflammatory cytokine’s upregulation. Furthermore, p38 is critical for IL-10 expression in response to TLR2 ligands, which triggers the macrophage change to a M2 and regulatory phenotype in contrast to the M1 phenotype induced by TLR4 activation. Therefore, the early TLR2-mediated p38 induction contributes for the high IL-10 production as a virulence strategy to suppress host Th1 response against certain types of pathogens. TLR2 activation induces type I interferon expression mediated by MyD88 and TRIF signaling pathways. The role of TRIF-IFN-β-signaling in TLR2-mediated inflammatory responses was investigated and the results presented in the second chapter indicate that TLR2 ligands induce IFN-β expression, dependent of receptor endocytosis which consequently activate the interferon transcription factors IRF3 and IRF7. TRIF signaling was found to be required for IFN-β induction and consequent expression of the cytokine IL-12 in response to TLR2 ligands. Moreover, TLR2 is determinant for Listeria monocytogenes recognition, however, modifications of this bacteria cell wall avoid its recognition. The in vivo administration of TLR2 ligands in a murine model of neonatal listeriosis showed lower levels of bacterial load in neonate’s microglia, and Listeria-infected dendritic cells stimulated with TLR2 ligands presented higher levels of protective TNF-α and IL-12 cytokines, mediated by IFN-β. Therefore, TLR2 ligands exert a modulatory effect on cytokines with beneficial effects on the prevention of Listeria dissemination. This data points to TLR2 ligands as potential adjuvants in vaccine models for this bacterial infection. TLR4 is considered the major receptor to recognize all LPSs. However, some atypical LPS’s structures depart from the well-studied E. coli LPS and induce a TLR2-dependent inflammatory response in immune cells. The results in the third chapter demonstrate that the atypical LPS from Ochrobactrum intermedium is a TLR4/TLR2 agonist, inducing a weaker inflammatory response compared to E. coli LPS. Molecular docking analysis of O. intermedium LPS predicts a favorable formation of a TLR2/TLR4/MD-2 heterodimer, further confirmed by FRET. These imply that atypical LPSs may induce TLR4/TLR2 heterodimerization to decrease the bacteria activation of the innate immune systemLos receptores “Toll-like” (TLRs) tienen un papel clave en el reconocimiento de compuestos derivados de patógenos siendo una primera barrera contra las infecciones. TLR4 y TLR2 son importantes debido a su localización en la superficie celular y por su capacidad de reconocer una variad de moléculas derivadas de patógenos. Se estudió la señalización temprana por la activación de TLR4 y TLR2 fue y los resultados presentados en el capítulo 1 de este trabajo demuestran que ligandos de TLR2 activan NF-κB y MAPKs más tempranamente y exhiben un ratio IL-10/IL-12 más alto que los ligandos TLR4. Además, la fosfatasa MKP-1 controla la fosforilación de p38 y contribuye al incremento de citoquinas proinflamatorias. Nuestros resultados indican que p38 es importante para la expresión de IL-10 en respuesta a ligandos de TLR2, lo que induce un cambio del fenotipo de los macrófagos a tipo M2 y regulatorio, en lugar del tipo M1 que es inducido por la activación de TLR4. Por lo tanto, la activación temprana de p38 mediada por TLR2 contribuye para la alta producción de IL-10 como una estrategia de virulencia para suprimir la respuesta Th1 del hospedero contra determinados patógenos. La activación de TLR2 induce la expresión de interferón tipo I mediado por la señalización dependiente de MyD88 y TRIF. El papel de la señalización TRIF-IFN-β en la respuesta inflamatoria inducida por TLR2 fue estudiado y los resultados descritos en el capítulo 2 indican que la activación de TLR2 lleva a una producción de IFN-β, dependiente de la internalización del receptor, lo que activa los factores de trascripción de interferón IRF3 y IRF7. La señalización por TRIF es necesaria para la inducir IFN-β y la citoquina IL-12 por la activación de TLR2. Además, TLR2 es importante para el reconocimiento de Listeria monocytogenes, sin embargo, modificaciones en la pared de esta bacteria evitan su reconocimiento inmunológico. La administración in vivo de ligandos TLR2 en un modelo murino de listeriosis neonatal disminuye la carga bacteriana en la microglía de los neonatos y su tratamiento en células dendríticas infectadas incrementa los niveles de TNF-α y IL-12, mediado por IFN-β. Por lo tanto, los ligandos TLR2 tienen un efecto modulador en los niveles de citoquinas y previenen la diseminación de la bacteria. Esto apoya el uso de ligandos TLR2 como potenciales adyuvantes en modelos de vacunas para esta bacteria. TLR4 es conocido como el receptor de reconocimiento a los lipopolisacáridos (LPS). Sin embargo, algunos LPSs presentan una estructura distinta del bien estudiado LPS de E. coli y inducen respuestas inflamatorias dependientes de TLR2. Los resultados del capítulo 3 demuestran que el LPS de Ochrobactrum intermedium es un agonista TLR4/TLR2 y induce una respuesta inflamatoria más débil que el LPS de E. coli. Estudios de modelado molecular predicen que el O. intermedium LPS favorece la formación del heterodímero TLR2/TLR4/MD-2, que se confirmó por FRET. Esto indica que estos LPSs atípicos inducen la dimerización de TLR4 y TLR2 para evitar la detección de la bacteria por el sistema inmunológico.The thesis was financed/supported by a predoctoral fellowship under the TOLLerant-ETN action, Marie Sklodowska-Curie grant agreement N° 642157 from the European Union Horizon 2020 progra