Uropathogenic Escherichia coli cause resistance to apoptotic cell death of infected cells by epigenetically suppressing BIM expression

Abstract

Urinary tract infections caused by uropathogenic Escherichia coli (UPEC) pathovars belong to the most frequent infections in humans. In men, pathogens can also spread to the genital tract via the continuous ductal system, eliciting bacterial prostatitis and/or epididymo-orchitis. Upon infection, activation of host cell death pathways is an intrinsic mechanism to eliminate the invading pathogens, conversely pathogens have evolved multiple strategies to manipulate host cell death pathways to propagate, replicate, and evade the host innate immune response. In light of the established observation that UPEC can manipulate intracellular signaling pathways to subvert innate immune responses, we sought to uncover if this pathogen is also able to interfere with the host cell death pathways. Here, it has been shown that the UPEC virulence factor alpha-hemolysin abrogates activation of the host cell pro-survival AKT signaling pathway depending on extracellular calcium. Inactivation of the AKT signaling pathway is further characterized by activation of the AKT-dependent FOXO family signaling pathway. Activation of FOXO1 and FOXO3 transcription factors were documented by their dephosphorylation and nuclear accumulation in testicular Sertoli cells. Although dephosphorylated FOXO was localized in the nuclei of Sertoli cells and showed increased DNA-binding activity following UPEC infection, no change in the expression levels of FOXO target genes such as BIM were observed. UPEC can suppress BIM expression induced by LY249002, a potent inhibitor of PI3Ks, which results in attenuation of caspase 3 activation and blockage of apoptosis. Mechanistically, UPEC-mediated AKT/ACLY inhibition could induce global deacetylation of histone 3 and histone 4, leading to an epigenetic suppression of expression of the FOXO target gene BIM by histone modifications in the Bim promoter region. In addition, no alteration was documented in the DNA methylation status. Taken together, these results suggest that UPEC can epigenetically silence BIM expression, a molecular switch that prevents apoptosis. Durch uropathogene Escherichia coli (UPEC) verursachte Harnwegsinfektionen gehören zu den häufigsten Infektionen beim Menschen. Bei Männern können die Erreger über das kontinuierliche Gangsystem auch auf den Genitaltrakt übergreifen und eine bakterielle Prostatitis und/oder Epididymoorchitis auslösen. Dabei stellt ein kontrollierter Zelltod durch Apoptose einen Mechanismus des Wirts dar eindringende Pathogene zu eliminieren. Umgekehrt haben die Mikroben Überlebensstrategien entwickelt, sich einer gegen sie gerichteten Immunantwort durch Manipulation intrazellulärer Signalwege zu entziehen. Aufgrund dessen war es das Ziel dieser Arbeit zu klären, ob UPEC auch in der Lage sind, die Zelltodwege des Wirts auf molekularer Ebene zu beeinflussen. Dabei hat sich gezeigt, dass der UPEC Virulenzfaktor alpha-Hämolysin die zum Überleben der Wirtszelle notwendige Aktivierung des AKT Signalwegs in Abhängigkeit von extrazellulärem Calcium aufhebt. Die Inaktivierung des AKT-Signalwegs ist durch eine Aktivierung des AKT-abhängigen Signalwegs der FOXO Transkriptionsfamilie gekennzeichnet. Eine Aktivierung von FOXO1 und FOXO3 wurde anhand einer Dephosphorylierung der FOXOs und folgender Akkumulation der Transkriptionsfaktoren im Zellkern von Sertoli-Zellen des Hodens gezeigt. Obwohl FOXO nach Infektion neben der nukleären Translokation auch eine erhöhte DNA-Bindungsaktivität in den Kernen der Sertoli-Zellen aufwies, konnte keine Änderung der Expression von FOXO-Zielgenen, wie z. Bsp. BIM, gefunden werden. Zudem kann UPEC die durch den potenten PI3K Inhibitor LY249002 induzierte BIM Expression unterdrücken. Daraus resultiert eine abgeschwächte Caspase-3-Aktivierung und folglich Blockade des Zelltods durch Apoptose. Mechanistisch kann die UPEC-vermittelte AKT/ACLY-Hemmung eine globale Deacetylierung von Histon 3 und Histon 4 hervorrufen, was durch Histon-Modifikationen in der Bim-Promotorregion zu einer epigenetischen Unterdrückung der Expression des FOXO Zielgens BIM führt. Darüber hinaus wurde keine Veränderung im DNA-Methylierungsstatus dokumentiert. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass UPEC epigenetisch die Expression von BIM unterdrücken kann. Durch diese molekulare Manipulation der infizierten Wirtszelle wird ein Zelltod durch Apoptose verhindert.