Sienten dimorfismi ja virulenssi:

Abstract

Lämpötiladimorfiset sienet ovat Ascomycota-suvun sisällä ainutlaatuinen ryhmä sieniä, jotka reagoivat lämpötilan muutoksiin muuttumalla hyfojen (22-25 °C) ja hiivan (37 °C) välillä. Tämä morfologinen siirtymä, jota kutsutaan faasimuutokseksi, määrittelee näiden sienten biologian ja elämäntavan. Muuntuminen hiivaksi terveissä ja immuunipuutteisissa nisäkäsisännissä on virulenssin kannalta välttämätöntä. Hiivavaiheessa lämpödimorfiset sienet säätelevät ylöspäin geenejä, jotka osallistuvat isännän immuunipuolustuksen kumoamiseen. Tässä katsauksessa tuodaan esiin molekyylimekanismeja, jotka säätelevät faasimuutosta, ja viimeaikaisia edistysaskeleita siinä, miten faasimuutos edistää infektiota.

1. Johdanto

Sienten kyky vaihtaa eri morfologisten muotojen välillä on laajalle levinnyt koko sienikunnassa ja on olennainen osa niiden biologiaa. Ascomycota-suvun sienien pientä osajoukkoa pidetään dimorfisena, mikä viittaa kykyyn vaihtaa kahden tietyn morfologisen muodon, hiivan ja hyfojen, välillä. Nämä sienet pystyvät tartuttamaan nisäkkäitä, kasveja ja hyönteisiä, ja ne voidaan jakaa termisiin ja ei-termisiin dimorfisiin sieniin . Termisesti dimorfiset sienet tarttuvat ihmisiin ja muihin nisäkkäisiin, kuten koiriin, kissoihin, vyötiäisiin ja jyrsijöihin (taulukko 1) . Termisesti dimorfiset sienet ovat sienipatogeenien joukossa ainutlaatuisia, koska ne voivat tartuttaa ihmisiä, joilla on normaali ja heikentynyt immuunipuolustus. Tähän kuuluvat blastomykoosin, histoplasmoosin, kokkidioidioidomykoosin, parakokidioidioidomykoosin ja sporotrikoosin aiheuttajat. Penisillioosia ja emmonsioosia sen sijaan esiintyy henkilöillä, joilla on pitkäaikainen HIV-infektio, joka on edennyt AIDS:ksi (CD4+ T-soluja/mm3) tai joiden soluvälitteinen immuniteetti on heikentynyt muista syistä (esim. kiinteän elimen siirto) . Myös muut kuin termiset dimorfiset sienet voivat aiheuttaa ihmiselle infektion (esim. Malassezia furfur), mutta ne ovat tyypillisemmin kasvipatogeenisiä tai entomopatogeenisiä. Esimerkiksi Ophiostoma novo-ulmi, hollantilaisen jalavan taudin aiheuttaja, on tuhonnut miljoonia jalavia Euroopassa ja Yhdysvalloissa. ”Zombimuurahainen” sieni, Ophiocordyceps unilateralis, erittää aineenvaihduntatuotteita, jotka muuttavat tartunnan saaneiden muurahaisten käyttäytymistä. Tässä katsauksessa keskitytään siihen, miten morfologinen siirtyminen hyfojen ja hiivan välillä vaikuttaa virulenssiin, ja siinä painotetaan ihmisten terveyden kannalta merkityksellisiä lämpödimorfisia sieniä.

2. Vaiheensiirtymä

Vaiheensiirtymäksi kutsuttu käänteinen morfologinen siirtymä hyfojen ja hiivan välillä on perustavanlaatuinen piirre dimorfisten sienten biologiassa ja elämäntavassa . Maaperässä (22-25 °C) nämä sienet kasvavat septaattisina hyfoina, jotka tuottavat konidioita. Ihmisen toiminnan, kuten rakentamisen tai luonnonkatastrofien, aiheuttama maaperän pilaantuminen voi aerosolisoida konidioita ja hyfaalifragmentteja. Nisäkkään isännän lämpimiin keuhkoihin (37 °C) hengitettäessä nämä tartuntataudit muuttuvat patogeeniseksi hiivaksi (tai Coccidioides-sienillä palloksi) aiheuttaen keuhkokuumetta . Kun infektio on vakiintunut keuhkoihin, hiiva (tai pallerot) voivat levitä muihin elimiin, kuten ihoon, luihin tai aivoihin.

Vaikka lämpötila on hallitseva ärsyke, joka vaikuttaa faasimuutokseen – hiivat 22-25 °C:ssa ja hiivat 37 °C:ssa -, muita ärsykkeitä, jotka vaikuttavat dimorfiseen siirtymiseen, ovat hiilidioksidi (CO2) -jännitys, eksogeeninen kysteiini ja estradioli. Kohonnut CO2-jännite (5 % CO2) on välttämätön, jotta Coccidioides spp:n artrokonidia itää palloksi 37 °C:ssa ja jotta Histoplasma capsulatum -hiivahiiva kasvaa valinnaisesti. Ihmisen keuhkoissa CO2-jännitys on noin 150-kertainen ympäröivään ilmaan verrattuna, mikä tarjoaa optimaalisen määrän CO2:ta faasimuutosta varten . Vastauksena lämpötilan nousuun mitokondriohengitys lakkaa Histoplasma-, Blastomyces- ja Paracoccidioides-organismeissa . Jotta hengitys saataisiin uudelleen käyntiin ja morfologinen siirtyminen hiivaksi saataisiin päätökseen, tarvitaan eksogeenista kysteiiniä . Ihmisen tuottama 17β-estradioli vaikuttaa Coccidioides- ja Paracoccidioides-taudinaiheuttajien morfologiseen siirtymiseen ja kasvuun, mikä puolestaan muuttaa infektion vakavuutta naisilla. 17β-estradiolin läsnä ollessa Coccidioides-pallojen kasvu 37 °C:ssa kiihtyy, mikä saattaa selittää lisääntyneen riskin saada disseminoitunut kokkidioidomykoosi raskaana olevilla naisilla . Lisäksi in vitro -analyysit ovat osoittaneet, että Coccidioides-sferulit sitovat tyydyttävästi 17β-estradiolia . Toisin kuin Coccidioidesissa, Paracoccidioidesin morfologinen siirtyminen hyfoista tai konidioista hiivaksi estyy 17β-estradiolilla . Keuhkoinfektion hiirimallissa konidien muuttuminen hiivaksi on heikentynyt naaras- mutta ei uroshiirillä . Ihmisillä parakokkidioidioidomykoosin ilmaantuvuus on 11-30-kertainen aikuisilla miehillä aikuisiin naisiin verrattuna, vaikka Paracoccidioides-altistuminen on yhtä yleistä. Ennen murrosikää miesten ja naisten välinen suhde on 1 : 1 .

Nämä havainnot ovat antaneet aihetta tutkia mekanismeja, joilla estradioli ja sukupuoli vaikuttavat sienen kehitykseen ja isännän vasteeseen. P. brasiliensis -kannan Pb01 geeniekspressiomikroarray-analyysi osoitti, että heikentynyt muuntuminen hiivaksi 37 °C:ssa 17β-estradioli läsnäollessa vähensi sellaisten geenien transkriptiota, jotka osallistuvat solusignaaliin (pieni GTPaasi RhoA, palmitoyltransferaasi), lämpösokkiin (HSP40, HSP70 ja HSP90), kitiinisynteesiin (kitiinisyntaasi) ja glukaanin uudismuotoiluun (β-1,3-glukaanisyntaasi, α-1,3-glukaanisyntaasi) . Kun naarashiiriä stimuloidaan parakoksiinilla, lektiiniin sitoutuvalla proteiinilla, jolla on kitinaasiaktiivisuus, naarashiirillä on voimakkaampi Th1-sytokiinivaste, johon liittyy lisääntynyt tuumorinekroositekijä alfan (TNF-α), interferonigamman (INF-γ) ja interleukiini 12:n (IL-12) tuotanto sekä lisääntynyt makrofagien sienituhoamisaktiivisuus uroshiiriin verrattuna . Ooforektomian ja testosteronihoidon jälkeen sytokiinivaste siirtyi Th1:stä Th2:een naarashiirillä. Uroshiirten kastraatio yhdistettynä estradiolihoitoon suosi Th1-sytokiinivastetta Th2-sytokiinivasteen sijaan . Yhdessä nämä havainnot korostavat sukupuolisteroidihormonien ja sukupuolen merkitystä sienen kehitykseen ja isännän alttiuteen.

3. Hiivavaiheen virulenssitekijät ja isännän immuunipuolustuksen kumoaminen

Konidiat joutuvat keuhkoihin sisäänhengitettynä makrofaagien nielemiksi, missä ne itävät hiivaksi (tai Coccidioides-taudinaiheuttajilla pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi pallomaisiksi) ja monistuvat. Histoplasma capsulatum, Coccidioides immitis ja posadasii, Sporothrix schenckii, Paracoccidioides brasiliensis ja lutzii sekä Talaromyces marneffei lisääntyvät synnynnäisten immuunisolujen sisällä ja ulkopuolella. Perinteisesti Blastomyces spp:n ajateltiin olevan yksinomaan solunulkoisia; viimeaikaiset tutkimukset kuitenkin osoittavat, että makrofagien nauttimat B. dermatitidis -konidit selviytyvät ja muuntuvat hiivaksi .

Faasimuutoksen aikana lämpödimorfiset sienet säätelevät ylöspäin hiivafaasispesifisiä geenejä, mukaan lukien Blastomyces adhesion-1 (BAD-1), kalsiumia sitova proteiini-1 (CBP1), hiivafaasispesifinen-3 (YPS3) ja sienirakkulan ulkoseinämäglykoproteiini (SOWgp), jotta ne voivat aktiivisesti kumota isännän immuunipuolustuksen. B. dermatitidis ja B. gilchristii ilmentävät BAD1:tä (aiemmin WI-1), joka on 120 kDA:n erittyvä monitoiminen proteiini, joka toimii adheesioproteiinina ja immuunijärjestelmän välttäjänä. Erittynyt BAD1 sitoutuu takaisin hiivasolun pinnalle vuorovaikutuksessa kitiinin kanssa, ja se pysyy myös solunulkoisessa ympäristössä liukoisessa muodossa. Solupintaan sitoutunut BAD1 sitoo hiivaa isäntäsoluihin komplementtireseptorien (CR3, CD14) ja heparaanisulfaatin välityksellä edistääkseen hiivasolujen tarttumista isäntäsoluihin. Hiivasolujen pintaan sitoutunut BAD-1 estää makrofagien ja neutrofiilien TNF-α:n tuotantoa transformoivasta kasvutekijästä-β (TGF-β) riippuvaisella tavalla . Sitä vastoin liukoinen BAD-1 estää TNF-α:n tuotannon TGF-β:stä riippumatta. TNF-α on kriittinen sytokiini isännän asianmukaiselle puolustautumiselle dimorfisia sieniä vastaan. TNF-α:n neutralointi hiiren infektiomallissa johtaa etenevään keuhkojen blastomykoosiin . Lisäksi Food and Drug Administration (FDA) antoi vuonna 2008 varoituksen histoplasmoosin, blastomykoosin ja kokkidioidomykoosin lisääntyneestä riskistä henkilöille, jotka käyttävät TNF-α:n estäjiä autoimmuunisairauksien (esim. nivelreuma ja Crohnin tauti) hoitoon . Sen lisäksi, että BAD1 vaikuttaa TNF-α:n tuotantoon, se heikentää myös adaptiivista immuunivastetta estämällä CD4+ T-lymfosyyttien aktivoitumista, mikä vähentää IL-17- ja INF-γ-tuotantoa . BAD1:n adheesio- ja immunomodulatoriset toiminnot ovat välttämättömiä Blastomyces-patogeneesin kannalta. BAD1:n poistaminen tekee Blastomyces-hiivasta avirulentin keuhkoinfektion hiirimallissa . BAD1:n lisäksi Blastomyces dermatitidis erittää dipeptidyylipeptidaasi IVA:ta (DppIVA) muokkaamaan isännän immuniteettia. DppIV on seriiniproteaasi, joka pilkkoo GM-CSF:ää, joka on voimakas sytokiini, joka aktivoi makrofageja ja neutrofiilejä tappamaan sieniä . DppIVA:n vaimentaminen RNA-interferenssillä (RNAi) vähentää GM-CSF-aktivoitujen makrofagien ja neutrofiilien kanssa kokoviljeltyjen B. dermatitidis -hiivojen selviytymistä. Lisäksi DppIVA-RNAi-kannoilla on heikentynyt virulenssi keuhkoinfektion aikana . Toisin kuin B. dermatitidis, H. capsulatum DppIVA:ta ei havaita solunulkoisesti eikä se vaikuta virulenssiin .

Analoginen BAD1:n kanssa, Coccidioides SOWgp on lokalisoitunut pallosolujen pinnalle ja tärkeä virulenssitekijä . SOWgp helpottaa sulkasolujen sitoutumista isännän solunulkoisen matriisin (ECM) proteiineihin, mukaan lukien laminiini, fibronektiini ja kollageeni . SOWgp:n (SOWgp∆) poistaminen Coccidioides-taudinaiheuttajissa heikentää sferuulien kiinnittymistä ECM-proteiineihin ja johtaa heikentyneeseen virulenssiin hiiren keuhkoinfektiomallissa .

H. capsulatum -taudinaiheuttajassa CBP1 on erittyvä virulenssitekijä, joka edistää hiivan solunsisäistä monistumista . CBP1 sitoo kalsiumia, esiintyy homodimeerinä, kestää proteaasien hajoamista ja on rakenteellisesti sukua saposiiniksi kutsuttujen kalvolipidiä sitovien proteiinien ryhmälle . Solunsisäisen H. capsulatum -hiivan erittämä CBP1 indusoi makrofagien apoptoosia ja lyysiä indusoimalla isäntäsolun kaspaasien, transkriptiotekijöiden (NUPR1/p8, TRB3) ja endoplasmiseen retikulumiin (ER) liittyvään stressiin liittyvien geenien transkriptiota . Makrofagien lyysi on siis sienen ohjaama aktiivinen prosessi eikä johdu suuresta solunsisäisestä sienitaakasta. CBP1 on BAD1:n tavoin olennainen virulenssitekijä. CBP1-nollamutantit (CBP1Δ) eivät kykene indusoimaan makrofagien apoptoosia ja ovat avirulentteja hiirten keuhkoinfektiomallissa . CBP1:n lisäksi H. capsulatum erittää YPS3:a, joka sitoutuu takaisin hiivasoluseinän kitiiniin ja helpottaa keuhkojen ulkopuolista leviämistä maksaan ja pernaan .

Morfologisen siirtymisen aikana hyfoista hiivaksi tai konidioista hiivaksi dimorfiset sienet käyvät läpi laajamittaisen soluseinän, mukaan lukien glukaanikoostumuksen, uudelleenmuokkauksen. Glukaanipitoisuuden uudelleenjärjestely voi estää isännän immuunisoluja tunnistamasta patogeeniin liittyviä molekyylimalleja (PAMP). Morfologisen muutoksen aikana β-(1,3)-glukaanin määrä Blastomyces- ja Paracoccidioides-sienien soluseinässä vähenee hyfojen ≈40 prosentista ≈5 prosenttiin hiivassa . β-(1,3)-glukaanin väheneminen hiivan soluseinässä saattaa rajoittaa sen tunnistamista synnynnäisen immuunijärjestelmän solujen dektiini-1:n ja mannoosia sitovien lektiinien avulla . Sitä vastoin H. capsulatum ei vähennä β-(1,3)-glukaania hiivasoluissa, vaan se käyttää α-(1,3)-glukaania ”kilpenä” estääkseen dektiini-1:n tunnistamisen β-(1,3)-glukaanista . Näin ollen dimorfiset sienet käyttävät useita strategioita, mukaan lukien erittyvät virulenssitekijät ja hiivasoluseinän muokkaaminen, ohittaakseen isännän immuunipuolustuksen infektion aikaansaamiseksi myös henkilöissä, joilla on ehjä immuunijärjestelmä.

Lämpötilaltaan dimorfisten sienten kyky ohittaa isännän immuunipuolustus ei ole 100-prosenttisen tehokas. Isäntä voi saada aikaan immuunivasteen pysäyttääkseen infektion etenemisen. Epidemiologiset tutkimukset ovat osoittaneet, että ≈50 % Blastomyces spp:lle altistuneista henkilöistä saa oireisen infektion, kun taas ≈50 %:lla on oireeton tai subkliininen infektio . Vastaavasti Histoplasma capsulatum-, Coccidioides spp. ja Paracoccidioides spp. -bakteerien hengittäminen aiheuttaa oireisen infektion <10 prosentilla, 33-50 prosentilla ja <5 prosentilla terveistä henkilöistä . Ehjä synnynnäinen ja adaptiivinen immuunipuolustus sekä kyky ”sulkea” hiiva granuloomiin ovat kriittisiä isännän puolustautumiselle infektiota vastaan. Konidioiden muututtua hiivaksi dendriittisolut ja makrofagit ovat vuorovaikutuksessa hiivasolujen kanssa ja nielevät ne. Lisäksi dectin-1-reseptori, joka indusoi fagosytoosia, reaktiivisten happilajien ja proinflammatoristen sytokiinien ja kemokiinien muodostumista vasteena β-(1,3)-glukaanin sitoutumiselle, oli ylösreguloitunut. Kemokiinit edistävät leukosyyttien siirtymistä infektiokohtiin . Vastaavasti P. brasiliensis -tartunnan saaneet makrofagit aiheuttavat myös proinflammatorisen vasteen, johon liittyy TNF-α:n, kemokiinien (CCL21, CCL22, CXCL4, CXC11 ja CXCL14) ja kinaasien (IRAK2) säätelyä . Nämä havainnot korostavat immuunipuolustuksen kykyä rajoittaa sienien virulenssitekijöiden vaikutusta.

4. Vaiheensiirtymän säätely

Virulenssin kannalta oleellista on siirtyminen hyfoista tai konidioista hiivaksi 37 °C:ssa. DRK1:n koodaaman hybridihistidiinikinaasin löytyminen Blastomyces- ja Histoplasma-organismeista tarjosi ensimmäisen geneettisen todisteen siitä, että morfologinen siirtyminen hiivaksi liittyy suoraan virulenssiin . DRK1-nolla (DRK1Δ), insertionaaliset mutantit ja RNA-interferenssi- (RNAi-) vaiennetut kannat kasvavat hiivan sijasta hyfoina 37 °C:ssa, eivät kykene säätelemään hiivavaiheen spesifisiä virulenssitekijöitä, kuten BAD1:tä ja CBP1:tä, eivätkä ole avirulentteja hiiren infektiomallissa. DRK1:n toiminta on konservoitunut lämpödiformisten sienten keskuudessa. T. marneffei -sienessä DRKA (DRK1-homologi) on kriittinen tekijä konidioiden muuntamisessa hiivaksi makrofageissa . Sporothrix-, Paracoccidioides- ja T. marneffei -bakteereissa DRK1:n transkriptioiden runsaus on suurempi hiivassa (37 °C) kuin hyfoissa (25 °C) . DRK1:n ennustetaan toimivan osana korkea-osmolaarisen glyserolin (HOG) signaalikaskadia, joka helpottaa sopeutumista osmoottiseen, oksidatiiviseen ja lämpötilastressiin . Vastaavasti DRK1:n transkriptio on myös säännelty ylöspäin vastauksena osmoottiseen stressiin Paracoccidioides- ja T. marneffei -bakteereissa . Sen lisäksi, että DRK1 helpottaa sopeutumista lämpötila- ja osmoottiseen stressiin, se vaikuttaa myös soluseinän eheyteen .

Morfologisen muutoksen säätely on monimutkaista eikä rajoitu DRK1:een. RYP1-4:n koodaamat transkriptiotekijät (joita tarvitaan hiivavaiheessa) säätelevät myös faasisiirtymää ja säätelevät joukkoa hiivavaiheelle ominaisia geenejä, jotka osallistuvat virulenssiin 37 °C:ssa. Nämä transkriptiotekijät säätyvät 37 °C:ssa, ja ne ovat konservoituneita dimorfisten ja filamenttisten sienten keskuudessa. RYP1 on C. albicansin WOR1-masterregulaattorin homologi, kun taas RYP2 ja RYP3 ovat osa samettikompleksia, vastaavasti VosA ja VelB. RYP4 on Zn(II)2Cys6-sinkkikaksoydinklusteri-domeeniproteiini, joka on homologinen A. nidulans FacB:n kanssa; se ei kuitenkaan näytä osallistuvan asetaatin hyödyntämiseen . Nämä transkriptiotekijät muodostavat integroidun verkoston, jossa ne sitoutuvat suoraan ja säätelevät yhteistä joukkoa ydingeenejä, mukaan lukien virulenssin kannalta tärkeitä geenejä, kuten CBP1 ja YPS3 . RYP1-4:n transkription vaimentaminen johtaa soluihin, jotka eivät läpäise kunnolla faasisiirtymää ja kasvavat hyfoina 37 °C:ssa .

Morfologinen siirtymä vastakkaiseen suuntaan, hiivasta hyfaksi, on myös tärkeä patogeneesin kannalta. Kasvu hyfoina edistää eloonjäämistä ympäristössä, konidioiden tuottamista uusiin isäntiin siirtymisen helpottamiseksi ja geneettistä monimuotoisuutta parittelun kautta . B. dermatitidis SREB ja H. capsulatum SRE1 koodaavat GATA-transkriptiotekijää, joka ohjaa siirtymistä hyteiksi lämpötilan laskettua 37 °C:sta 22-25 °C:een. SREB-nollamutantit (SREBΔ) ja SRE1-RNAi-kannat eivät onnistu siirtymään hyfaeiksi . Tämän GATA-transkriptiotekijän rooli lämpötilaan sopeutumisessa on konservoitu muissa sienissä. C. neoformansin SREB:n ja SRE1:n homologi, CIR1, on välttämätön 37 °C:n lämpötilakestävyyden kannalta . B. dermatitidis -bakteerissa morfologisen kytkennän vika vastaa neutraalien lipidien (ergosteroli, triasyyliglyseroli) ja lipidipisaroiden biosynteesin vähenemistä . Eksogeenisten tyydyttyneiden rasvahappojen (palmitiinihappo, 16:0, ja steariinihappo, 18:0) lisääminen korjasi osittain morfogeneesin ja lipidipisaroiden muodostumisen puutteet . Tämä viittaa siihen, että neutraalien lipidien aineenvaihdunnan on mahdollisesti vaikutettava faasimuutokseen hyfeiksi ympäristön lämpötilassa. SREB ja SRE1 toimivat myös negatiivisina säätelijöinä geeneille, jotka osallistuvat sideroforien biosynteesiin ja raudan ottoon; tämä rooli näyttää kuitenkin olevan riippumaton faasimuutoksesta . H. capsulatum -bakteerissa VMA1:n, joka koodaa solunsisäiseen raudan homeostaasiin osallistuvaa vacuolaarista ATPaasia, poistaminen johtaa soluihin, jotka eivät muutu hyfoiksi 25 °C:ssa. Tämä osoittaa, että raudan aineenvaihdunta, jota SREB ei säätele, voi vaikuttaa lämpötilasta riippuvaan morfologiseen siirtymiseen. T. marneffei -bakteerissa HGRA:n ja TUPA:n koodaamat transkriptiotekijät säätelevät hyfeiksi muuttumista ja filamenttisen morfologian säilymistä 25 °C:ssa. Transkriptionaalisten säätelijöiden lisäksi N-asetyyliglukosamiini (GlcNAc) kiihdyttää B. dermatitidis- ja H. capsulatum -bakteereissa NGT1- ja NGT2-transmembraanikuljettajien välityksellä muuntumista hiivasta hyfaksi .

5. In vivo transkriptionaalinen profilointi

Suuntautuneiden geneettisten strategioiden, kuten insertionaalisen mutageneesin, käyttö on edistänyt merkittävästi lääketieteellisen mykologian alaa, joka liittyy termisesti dimorfisiin sieniin. Tämä on johtanut uusien geenien ja geeniverkostojen löytämiseen, jotka säätelevät faasimuutosta (esim. DRK1, RYP1-3 ja SREB). Genominlaajuisten assosiaatiotutkimusten aikakaudella hyödyntämätön varasto uusien geenien tai geeniverkostojen löytämiseksi dimorfisissa sienissä on hiivan transkription profilointi infektion aikana. Patogeenisuuden kannalta tärkeiden geenien tunnistamiseksi tehtiin in vivo -transkriptioprofilointi Blastomyces dermatitidis -kannalle 26199 käyttäen hiiren keuhkoinfektiomallia. Kehitettiin uusi kaksivaiheinen tekniikka B. dermatitidis -hiivan erottamiseksi tehokkaasti hiiren keuhkokudoksesta, jotta saatiin korkealaatuista RNA:ta RNA-sekvensointia (RNA-Seq) varten. Hiiren keuhkoista eristetyn hiivan transkriptioprofiilia verrattiin hiivan transkriptioprofiiliin, jota oli viljelty yhdessä makrofagien kanssa 37 °C:ssa, hiivan transkriptioprofiiliin, jota oli kasvatettu in vitro ilman luuydinperäisiä makrofageja 37 °C:ssa, ja hiivan transkriptioprofiiliin, jota oli viljelty yhdessä makrofagien kanssa 37 °C:ssa, ja hiivan transkriptioprofiiliin, jota oli viljelty yhdessä makrofagien kanssa 22 °C:ssa, K-means-klusterianalyysin avulla . Tämä analyysi tunnisti 72 geeniä, jotka olivat in vivo >2-kertaisesti säänneltyjä ja riippumattomia lämpötilasta, makrofagien yhteenkasvatuksesta ja väliaineolosuhteista. Osajoukko näistä geeneistä sisälsi geenejä, jotka koodaavat solunulkoiseen ympäristöön erittyviä proteiineja, metallikationien ottoa ja kuljetusta sekä aminohappojen metaboliaa .

B. dermatitidis -hiivahiiva säätelee ylöspäin sinkin hankintaan osallistuvia geenejä keuhkoinfektion aikana. Näihin kuuluvat sinkofori (PRA1/ZPS1), korkean affiniteetin sinkkikuljettaja (ZRT1) ja matalan affiniteetin sinkkikuljettaja (ZRT2) . Candida albicansissa PRA1 erittyy solunulkoiseen ympäristöön sitomaan sinkkiä ja toimittamaan sitä sienelle vuorovaikutuksen kautta ZRT1:n kanssa solun pinnalla . C. albicansissa, Aspergillus fumigatusissa ja Ustilago maydis -bakteerissa PRA1 ja ZRT ovat koreguloituja ja syntenisiä. Vaikka PRA1 ja ZRT1 näyttäisivät olevan yhteisreguloituja Blastomycesissa, nämä geenit eivät ole syntenisiä. Yllättäen PRA1 ei ole hyvin konservoitunut dimorfisten sienten keskuudessa, ja se puuttuu H. capsulatum-, Paracoccidioides spp. ja Emmonsia-sienien genomeista; homologeja esiintyy kuitenkin Coccidioides-sienissä. C. albicansissa PRA1:n oletetaan vaikuttavan patogeneesiin. PRA1:n poistaminen johtaa mutantteihin, joilla on heikentynyt kyky lyysiä endoteelisoluja sinkin puutteessa. PRA1:n vaikutusta in vivo -infektion aikana ei ole vielä tutkittu.

Sen lisäksi, että B. dermatitidis säätelee sinkinpoistomekanismeja in vivo, se lisää nikkelin kuljettajaa koodaavan NIC1:n transkriptiota . Nikkeliä tarvitaan ureaasin, entsyymin, joka katalysoi urean muuntamista ammoniakiksi ja CO2:ksi, moitteettomaan toimintaan. Ureaa esiintyy nisäkkäiden kudoksissa puriininukleotidikatabolian tuotteena . Coccidioideissa ureaasi vapautuu palloista replikaation aikana ja vahingoittaa kudosta tuottamalla ammoniakkia, joka alkalisoi mikroympäristön . Ureaasigeenin (UREΔ) poistaminen C. posadasii -bakteerista johtaa heikentyneeseen virulenssiin hiiren keuhkoinfektiomallissa. Keuhkoinfektiopaikoissa UREΔ-solut eivät kykene katabolisoimaan ureaa keuhkokudoksessa eivätkä alentamaan pH:ta (kudoksen pH 7,2 UREΔ:llä vs. pH 7,7 villityypillä). Lisäksi nollamutaatiolla infektoituneilla hiirillä oli organisoidumpi immuunivaste, jossa UREΔ-soluja ympäröivät hyvin muodostuneet granuloomat. Cryptococcus neoformansissa NIC1 ja URE1 edistävät aivoihin tunkeutumista. Kumman tahansa geenin poistaminen vähentää NIC1Δ- ja URE1Δ-hiivasolujen kykyä tunkeutua keskushermostoon . URE1 vaikuttaa myös Cryptococcus gattii -bakteerin patogeneesiin, joka aiheuttaa ensisijaisesti keuhkoinfektiota ilman lisääntynyttä taipumusta keskushermostoon tunkeutumiseen eläinmalleissa . C. gattii URE1Δ:llä on heikentynyt virulenssi keuhkoinfektion aikana, vähentynyt kyky levitä verenkiertoon ja heikentynyt solunsisäinen replikaatio makrofageissa .

Kkeuhkoinfektion aikana B. dermatitidis säätelee ylöspäin dioksygenaaseja, jotka osallistuvat aminohappojen kataboliaan . Näihin kuuluvat 4-hydroksifenyylipyruvaattidioksygenaasi (4-HPPD, HpdA), homogentisaatti 1,2-dioksygenaasi (HmgA), indoleamiini 2,3-dioksygenaasi (IDO) ja kysteiinidioksygenaasi (CDG). HpdA ja HmgA ovat konservoituneita dimorfisten sienten keskuudessa, ja ne sijaitsevat geeniklusterissa . Vaikka HpdA:n ja HmgA:n tarkkaa roolia ei tunneta B. dermatitidis -bakteerissa, T. marneffei -bakteeria koskevat tutkimukset ovat valaisseet sitä, miten nämä tyrosiinikataboliaan osallistuvat geenit vaikuttavat patogeneesiin. HpdA- ja HmgA-nollamutantit ovat yliherkkiä oksidatiiviselle stressille ja niillä on heikentynyt itiöiden itäminen hiivaan hiiren ja ihmisen makrofageissa . 4-HPPD-aktiivisuuden estäminen näyttää olevan tärkeää lämpötilasta riippuvan morfologisen muutoksen kannalta. 4-HPPD:n kemiallinen estäminen NTBC:llä (2-(2-nitro-4-trifluorometyylibentsoyyli)-sykloheksaani-1,3-dioni) T. marneffei- ja P. brasiliensis -bakteereissa estää konidioiden tai hyfojen muuttumisen hiivaksi lämpötilan noustua 25 °C:sta 37 °C:seen .

Sienten IDO:n rooli tryptofaanin hajoamisessa tunnetaan huonosti; kasvainsolut kuitenkin säätelevät IDO:ta hajottaakseen tryptofaania mikroympäristössä välttääkseen isännän immuunisolut . H. capsulatumin ja P. brasiliensiksen aiheuttama keuhkoinfektio indusoi isännän IDO:ta, joka vähentää sienen kasvua, estää Th17 T-lymfosyyttien erilaistumista ja rajoittaa liiallista kudostulehdusta .

Kysteiinidioksygenaasin (CDG) lisäksi B. dermatitidis säätelee kysteiinisyntaasi A:ta (CSA) ja sulfiittieffluksipumppua (SSU1) keuhkoinfektion aikana . CSA koodaa entsyymiä, joka osallistuu L-kysteiinin biosynteesiin asetyyli-L-seriinistä. CDG hajottaa L-kysteiinin L-kysteiinisulfonihapoksi, joka voidaan edelleen katabolisoida pyruviitiksi ja sulfiitiksi. Kertynyt sulfiitti on mahdollisesti myrkyllistä soluille, ja se erittyy SSU1:n koodaaman effluksipumpun kautta. C. albicansissa CDG1:n ja SSU1:n deleetio heikentää hyfaalien kehitystä kysteiinin ja CDG1Δ:n, mutta ei SSU1Δ:n, läsnäollessa ja heikentää virulenssia hiiri-infektion aikana. Dermatofyyteissä, kuten Arthroderma benhamiae, CDO1:n suorittaman kysteiinin katabolian sulfiitiksi, jota seuraa SSU1:n suorittama sulfiitin poistuminen solunulkoiseen ympäristöön, oletetaan edistävän keratiinin hajoamista sienen kasvun helpottamiseksi . A. benhamiae CDO1- ja SSU1-nollamutanttien kyky kasvaa keratiinipitoisilla substraateilla, kuten hiuksilla ja kynsillä, on heikentynyt. Näiden tietojen perusteella on mahdollista, että kysteiinin hajoaminen ja sulfiitin eritys voisivat edistää Blastomyces-hiivahiivan kasvua iholla, jossa on runsaasti keratiinia ja joka on yleisin paikka keuhkojen ulkopuoliselle leviämiselle.

6. Johtopäätökset

Lämpötiladimorfiset sienet ovat ainutlaatuinen ascomycetes-ryhmä, joka kykenee infektoimaan henkilöitä, joilla on ehjä ja heikentynyt immuunipuolustus. Niiden kyky sopeutua kehon sisälämpötilaan (37 °C) ja siirtyä hiivamorfologiaan on olennainen virulenssin kannalta. Morfologinen siirtyminen hiivaksi liittyy sellaisten erityisten virulenssitekijöiden säätelyyn, jotka edistävät tarttumista isäntäkudoksiin, kasvua makrofageissa ja niiden lyysiä, tylsyttävät asianmukaiset sytokiinivasteet ja heikentävät soluvälitteistä immuniteettia. Hyfojen ja hiivan välisen palautuvan siirtymän säätely edellyttää, että nämä sienet sopeutuvat ja reagoivat lukuisiin ärsykkeisiin, kuten lämpötilaan, hiilidioksidijännitykseen ja sukupuolihormoneihin. In vivo -transkriptioprofilointi on alkanut paljastaa aiemmin tuntemattomia geenejä, jotka ovat tärkeitä nisäkäsisännässä tapahtuvalle lisääntymiselle ja virulenssille.

Erityisintressiristiriidat

Tekijä ilmoittaa, ettei hänellä ole eturistiriitoja.