Eimeria falciformis infection of mouse cells identifies host determinants of parasite development

Abstract

Eimeria falciformis ist ein Apicomplexa-Parasit, welcher das Blinddarmepithel der Maus befällt. Aufgrund des monoxenen Lebenszyklus in einem exzellent-erforschten Wirt, bietet sich E. falciformis als Modellorganismus an, um Wirts-Parasit-Interaktionen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Hilfe von Genexpressionsanalysen bei E. falciformis-infizierten Zellen und Mäusen Wirtsfaktoren identifiziert, welche für die in vitro bzw. in vivo Entwicklung des Parasiten vonnöten sind. Der Transkriptionsfaktor c-FOS (FBJ osteosarcoma oncogene) zeigte eine erhöhte Expression bei der Infektion einer Epithelzelllinie mit E. falciformis. C-FOS ist ein Bestandteil des AP-1 (activator protein 1) Komplexes, welcher die Transkription zahlreicher Gene unterschiedlichster Funktion steuert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Entwicklung von E. falciformis in Zellen, welche den Transkriptionsfaktor nicht besitzen (c-FOS knockout Zellen) beeinträchtigt war. Diese Beobachtung betont eine mögliche Ausbeutung des Transkriptionsfaktors des Wirtes durch den Parasiten. In E. falciformis-infizierten Mäusen war die Expression des Enzyms Indoleamin 2,3-Dioxygenase (IDO1) bemerkenswert induziert. IDO1 katalysiert die erste und geschwindigkeits-bestimmende Reaktion des Tryptophan-Abbaus innerhalb des Kynurenin-Stoffwechselweges. Wir zeigen in dieser Studie, dass in den E. falciformis-infizierten Epithelzellen IDO1 IFN-gamma abhängig induziert wird. Das Wachstum des Parasiten war zudem beeinträchtigt in IDO1-/- Mäusen sowie in Mäusen, in welchen zwei weiterer Enzyme des Kynurenin-Stoffwechselweges pharmakologisch inhibiert wurden. Bemerkenswerterweise konnte das Parasitenwachstum in IDO1-/- Mäusen durch Gabe von Xanthurensäure, ein Nebenprodukt des Tryptophan-Abbaus, auf Wildtyp-Niveau angehoben werden. Diese Daten demonstrieren, dass sich der intrazelluläre Parasit E. falciformis die wirtseigenen Verteidigungsmechanismen (IFN-gamma, IDO1) für seine eigene Entwicklung zu Nutze macht.

Eimeria falciformis is a highly host- and tissue-specific parasite of murine caecum epithelium. Its monoxenous life cycle in a well-investigated host makes it an excellent model to examine parasite-host interactions. To identify the host determinants of the parasite infection, this work involved the comparative in vitro and in vivo analyses of mouse gene modulation by E. falciformis. The in vitro microarray analyses identified the transcription factor FBJ osteosarcoma oncogene (c-FOS) as highly induced during E. falciformis infection. C-FOS is part of the activator protein 1 (AP-1) complex, which controls the transcription of genes involved in various biological processes. We show that infection of c-FOS-deficient mouse cells results in an impaired development of E. falciformis, highlighting an exploitation of the host transcription factor by an apicomplexan parasite. Our ex vivo gene expression analyses using mouse caecum cells revealed a substantial modulation of the host transcriptome. The indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1), the first and rate-limiting enzyme of tryptophan catabolism in the kynurenine pathway, was one of the most up-regulated epithelial transcripts. Induction of IDO1 supposedly depletes tryptophan in host cells, which is proposed to inhibit the in vitro growth of pathogens auxotrophic for this essential amino acid. We show that E. falciformis induces IDO1 in the epithelial cells in an IFN-gamma-dependent manner. The absence or inhibition of IDO1 and two downstream enzymes of the pathway in the mouse impairs parasite growth. Noticeably, the parasite development was entirely rescued by xanthurenic acid, a by-product of tryptophan catabolism. These data demonstrate contrasting roles of IFN-gamma signaling and a conceptual subversion of the host defense (IFN-gamma, IDO1) by an intracellular pathogen for progression of its natural life cycle.