Mechanismus účinku sinicového lipopolysacharidu na epiteliální a imunitní buňky

Mgr. Petra Raptová, Ph.D.

Doctoral thesis

Mechanism of cyanobacterial lipopolysaccharide effects on epithelial and immune cells

Abstract:

Sinicové vodní květy (cyanoHABs) představují závažný problém na celém světě. Nejenže vyčerpávají živiny v životním prostředí, ale jsou také zdrojem různých toxinů a biologicky aktivních molekul. Povrch sinic, podobně jako u G-bakterií, obsahuje lipopolysacharid (LPS). Několik studií, včetně naší, prokázalo imunomodulační účinnost sinicového LPS (cyanoLPS). Protože kůže je prvním orgánem, který se při rekreačních aktivitách dostává do kontaktu s vodou kontaminovanou cyanoHAB, studovali jsme účinky LPS pocházejícího z cyanoHAB na keratinocyty. Sledovali jsme produkci cytokinů, expresi keratinů a změny v proliferaci a migraci keratinocytů in vitro. Abychom zjistili, zda hlavní účinek způsobuje cyanoLPS nebo bakteriální LPS z G- heterotrofních bakterií přítomných v cyanoHAB, použili jsme axenické sinicové kultury druhů, které dominovaly studované vodní květy. Přestože nejsilněji spouštěly prozánětlivou odpověď různých buněčných typů LPS izolované z environmentálních směsí, i cyanoLPS Aphanizomenon flos-aquae PCC7905 (Ap-1) působil podobně. Zatímco Toll-like receptor (TLR) 4 je kanonickým receptorem pro bakteriální LPS především z čeledi Enterobacteriaceae (např. Escherichia coli), LPS jiných typů bakterií může působit také jako antagonista TLR4 nebo signalizovat prostřednictvím TLR2. U cyanoLPS však není konkrétní receptor znám. Proto jsme se pokusili objasnit mechanismus účinku Ap-1. Inhibice TLR2, stejně jako knock-out mutace TLR2 vedly ke snížení buněčné odpovědi. Naopak TLR2 knock-in ji vyvolal. Při up/down regulaci TLR4 se odpověď buněk nezměnila. NGS analýza mikrobiálního složení cyanoHAB ukázala, že nejaktivnější LPSs pocházely z biomas s nejvyšším výskytem heterotrofních bakterií, především kmene Proteobacteria. Naše výsledky naznačují, že LPS pocházející z biomasy cyanoHAB může mít prozánětlivé účinky na buňky cílových orgánů, které jsou pravděpodobně způsobeny především LPS heterotrofních bakterií. Minimálně cyanoLPS Aphanizomenon flos-aquae však také působí prozánětlivě, a to prostřednictvím TLR2.

Abstract:

Cyanobacterial water blooms (cyanoHABs) are a serious problem worldwide. They not only deplete nutrients in the environment but are also a source of various toxins and biologically active molecules. The surface of cyanobacteria, like that of G-bacteria, contains lipopolysaccharide (LPS). Several studies, including ours, have demonstrated the immunomodulatory effects of cyanobacterial LPS (cyanoLPS). Because the skin is the first organ to come into contact with cyanoHAB-contaminated water during recreational activities, we studied the effects of cyanoHAB-derived LPS on keratinocytes. We determined cytokine production, keratin expression, and changes in keratinocyte proliferation and migration in vitro. To determine whether the main effect is caused by cyanoLPS or bacterial LPS from G-heterotrophic bacteria present in cyanoHAB, we used axenic cyanobacterial cultures of the species that dominated the water blooms studied. Although LPS isolated from environmental mixtures showed the most potent pro-inflammatory response of different cell types, the cyanoLPS Aphanizomenon flos-aquae PCC7905 (Ap-1) also exerted similar effects. While Toll-like receptor (TLR) 4 is the canonical receptor for bacterial LPS primarily from the Enterobacteriaceae family (e.g. Escherichia coli), LPS from other bacterial types can also act as an antagonist of TLR4 or signal through TLR2. However, the specific receptor for cyanoLPS is unknown. Therefore, we attempted to elucidate the mechanism of action of Ap-1. Inhibition of TLR2 as well as knock-out mutations of TLR2 led to a reduced cellular response. In contrast, TLR2 knock-in induced it. When TLR4 was up/downregulated, the cell response was not altered. NGS analysis of the microbial composition of cyanoHABs showed that the most active LPSs isolated from the biomasses with the highest abundance of heterotrophic bacteria, especially the Proteobacteria phylum. Our results suggest that LPS derived from cyanoHAB biomass may have pro-inflammatory effects on target organ cells, which are likely to be mainly caused by LPS from heterotrophic bacteria. However, at least the cyanoLPS of Aphanizomenon flos-aquae also exerts pro-inflammatory effects through TLR2.

Keywords

vodní květ, keratinocyty, imunitní buňky, zánět, toll-like receptor, TLR, lipopolysacharid, LPS, harmful algal bloom, keratinocytes immune cells, inflammation, lipopolysaccharides

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 28. 6. 2024
• Supervisor: RNDr. Lenka Šindlerová, Ph.D.
• Reader: Mgr. Ondřej Adamovský, Ph.D., M.Sc. Barbara Kubíčková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Animal physiology, immunology and developmental biology / Animal physiology, immunology and developmental biology