Effect of Escherichia coli Stx1 on the cytokine profile of bovine ileal intraepithelial lymphocytes

Abstract

Escherichia coli Shiga toxin 1 (Stx1) blocks the activation of bovine peripheral (PBMC) and ileal intraepithelial lymphocytes (iIEL). The objectives of the study were to assess the impact of Stx1 on the expression of selected chemokine and cytokine genes in bovine lymphocytes (iIEL and PBMC) in vitro by real-time RT-PCR and by quantitation of intracellular cytokine proteins by flow cytometry.Freshly isolated iIEL were shown to harbour transcripts of chemokines and of TH1, TH2, and TH3 cytokines. While Stx1 did not alter the amount of mRNA specific for IL-2, IL-10, IFN-gamma, TGF-beta, IL-8, IP-10, and MCP-1 in cultured iIEL, minute concentrations of Stx1 led to an up to 40-fold increase of il-4 transcripts within 6-8 hrs of incubation. In addition, the effect of Stx1 on il-4 transcripts was specified to require the enzymatic activity of the holotoxin, as the StxB1 subunit alone did not affect iIEL. Nevertheless, in the presence of Stx1, iIEL retained their ability to synthesize proteins: 40 % of iIEL could be mitogen-stimulated to synthesize IFN-gamma while less than 10 % of the cells expressed IL-4 or TGF-beta proteins. The enhancement of il-4 transcripts in iIEL was not accompanied by apoptosis. Although Stx1 significantly impaired the iIEL blast transformation induced by mitogens in vitro and induced a marked redistribution of the Stx- receptor from the cell surface to intracellular compartments, Stx1-treated iIEL neither showed an increased exposure of phosphatidylserine on the cell surface nor an altered mitochondrial membrane potential. Comparative experiments with PBMC revealed that the effect on il-4 transcripts was specific for iIEL. Moreover, Stx1 hindered the translation of IFN-gamma in PBMC within 21 hrs. Mucosal immune cells in cattle were found to be considerably sensitive to a cytokine-stimulating effect of Stx1. The results led to assume that the distinct induction of il-4 transcripts contributes to the establishment of a commensal-like colonization of the bovine intestinal mucosa by STEC. Escherichia coli Shiga toxin 1 (Stx1) blockiert die Aktivierung boviner peripherer (PBMC) und ilealer intraepithelialer Lymphozyten (iIEL). Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss von Stx1 auf die Expression ausgewählter Chemokin- und Zytokin-Gene in vitro mit Hilfe der real-time RT-PCR und der intrazellulären Quantifizierung zweier Zytokin-Proteine in der Durchflusszytometrie zu bestimmen. Frisch isolierte iIEL enthielten sowohl Transkripte für eine Reihe von Chemokin-Genen als auch von Genen für TH1-, TH2- und TH3-Zytokine. Während Stx1 den Gehalt an mRNA für IL-2, IL-10, IFN-gamma, TGF-beta, IL-8, IP-10 und MCP-1 in kultivierten iIEL nicht veränderte, führten bereits kleinste Konzentrationen von Stx1 zu einer bis zu 40-fachen Steigerung der Zahl der il-4-Transkripte innerhalb von 6-8 Stunden. Dieser Effekt des Stx1 war von der enzymatischen Aktivität des Holotoxins abhängig, da die rezeptorbindende StxB1-Untereinheit nicht die gleiche Wirkung entfaltete. Trotzdem war auch in Anwesenheit von Stx1 die Fähigkeit der iIEL zur Proteinsynthese erhalten. Vierzig Prozent der iIEL konnten durch Mitogene zur Synthese von IFN-gamma stimuliert werden, wohingegen weniger als 10 % der Zellen IL-4- oder TGF-beta-Proteine bildeten. Die Stx1-induzierte Vermehrung der il-4-Transkripte in iIEL war nicht von Apoptose begleitet. Stx1 beeinträchtigte zwar erheblich die Fähigkeit der iIEL zur Blastentransformation in vitro und induzierte eine deutliche Umverteilung der Stx-Rezeptoren von der Zelloberfläche in intrazelluläre Kompartimente. Stx1-behandelte iIEL zeigten aber weder eine verstärkte Exposition von Phosphatidylserin auf der Zelloberfläche noch war ihr mitochondriales Membranpotential verändert. Bei vergleichenden Untersuchungen mit PBMC zeigte sich, dass der Effekt des Stx1 auf il-4-Transkripte spezifisch für iIEL ist. Im Gegensatz zur Wirkung des Stx1 auf iIEL reduziert Stx1 bei PBMC innerhalb von 21 Stunden die Translation von IFN-gamma.Schleimhautimmunzellen des Rindes sind damit aussergewöhnlich sensibel gegenüber einem Zytokin-stimulierenden Effekt des Stx1. Dies lässt vermuten, dass die gezielte Induktion von il-4-Transkripten zur Kolonisierung der bovinen Mukosa durch STEC in einer Saprophyten ähnlichen Weise beiträgt.