Bacterial Pathogen Made More Lethal In Cystic Fibrosis By Mutation Of Antimicrobial Produced By Human Immune Cells

Bacterial Pathogen Made More Lethal In Cystic Fibrosis By Mutation Of Antimicrobial Produced By Human Immune Cells
29 kwietnia 05:04 2014 Print This Article

Bacterial Pathogen Made More Lethal In Cystic Fibrosis By Mutation Of Antimicrobial Produced By Human Immune Cells

cystic fibrosis and immune cellsResearchers at the Ohio State University Wexner Medical Center Division of Infectious Diseases Department of Internal Medicine at Columbus, Ohio have found that respiratory failure caused by chronic lung infection with Pseudomonas aeruginosa bacteria is a common cause of death in patients with cystic fibrosis (CF). The study, published in the journal PLOS Pathogens, demonstrates that an antimicrobial peptide produced by human immune cells can promote mutations in the bacterium that make it more lethal.

CF is genetic disease that is more common in individuals of European descent, and the most common fatal genetic disease affecting North American children and young adults. There is currently no cure.

A multi-system disorder, CF causes a variety of symptoms that may include:
• Persistent cough with productive thick mucous
• Wheezing and shortness of breath
• Frequent chest infections, which may include pneumonia
• Bowel disturbances, such as intestinal obstruction or frequent, oily stools
• Weight loss or failure to gain weight despite possible increased appetite
• Salty tasting sweat
• Infertility (men) and decreased fertility (women)

However, CF mainly affects the digestive system and lungs. The degree of disease involvement varies from person to person, but the persistence and ongoing infection in the lungs, with consequent destruction of tissues and loss of lung function, eventually causes death in most people who have cystic fibrosis. Typical complications caused by cystic fibrosis include difficulty digesting fats and proteins; vitamin deficiencies due to loss of pancreatic enzymes; and progressive loss of lung function.


The open access PLOS Pathogens paper entitled “Cationic Antimicrobial Peptides Promote Microbial Mutagenesis and Pathoadaptation in Chronic Infections” (April 24, 2014 PLoS Pathog 10(4): e1004083. doi:10.1371
journal.ppat.1004083) is co-authored by Dominique H. Limoli, Andrea B. Rockel, Kurtis M. Host, Anuvrat Jha, Benjamin T. Kopp, Thomas Hollis, and corresponding author Daniel Wozniak, Ph.D.

danielwozniakDr. Wozniak, Professor of Internal Medicine Microbiology and Microbial Interface Biology with the Ohio State University Wexner Medical Center Division of Infectious Diseases Department of Internal Medicine and his colleagues studied a process called “mucoid conversion,” which involves mutations in Pseudomonas that produce a sticky sugar coating of the bacteria which makes them more resistant to various treatments. They note that the process is fairly well understood, and involves mutation of a particular Pseudomonas gene called mucA.

Searching for factors of the human host that facilitate mucA mutation, the scientists found that specific immune system cells called polymorphonucleocytes (or neutrophils), which are present in large numbers in lung cells of patients with CF, can trigger Pseudomonas mucoid conversion, and that a specific antimicrobial factor produced by these cells called LL-37 plays a key role.

At high doses, LL-37 can kill bacteria by poking large holes into their cell walls. However, at lower concentrations (which seem to mimic the situation in the lungs of CF patients), the scientists found that some LL-37 molecules can enter the bacterial cells without killing them. Once inside, LL-37 appears to be able to directly interact with and alter the bacterial DNA, leading to mutation of the mucA gene. The resulting mucoid conversion makes the sugar-coated bacteria then resistant to higher doses of LL-37, including doses that would readily kill the “naked” Pseudomonas bacteria prior to mucoid conversion.


The scientists go on to show that LL-37 can induce mutations besides those in mucA in both Pseudomonas and E. coli, showing that its function as a mutagen is neither restricted to a particular gene nor a particular pathogen.

The coauthors explain in the study abstract that acquisition of adaptive mutations is essential for microbial persistence during chronic infections — particularly so during chronic Pseudomonas aeruginosa lung infections in cystic fibrosis (CF) patients. Thus far, they note that mutagenesis has been attributed to the generation of reactive species by polymorphonucleocytes (PMN) and antibiotic treatment. However, their current studies of mutagenesis leading to P. aeruginosa mucoid conversion have revealed a potential new mutagen. The researchers’ findings confirm the current view that reactive oxygen species can promote mucoidy in vitro, but revealed PMNs are proficient at inducing mucoid conversion in the absence of an oxidative burst.

That observation led to the discovery that cationic antimicrobial peptides can be mutagenic and promote mucoidy. Of specific interest was the human cathelicidin LL-37, canonically known to disrupt bacterial membranes leading to cell death. An alternative role was revealed at sub-inhibitory concentrations, where LL-37 was found to induce mutations within the mucA gene encoding a negative regulator of mucoidy and to promote rifampin resistance in both P. aeruginosa and Escherichia coli. The mechanism of mutagenesis was found to be dependent upon sub-inhibitory concentrations of LL-37 entering the bacterial cytosol and binding to DNA. LL-37/DNA interactions then promote translesion DNA synthesis by the polymerase DinB, whose error-prone replication potentiates the mutations. A model of LL-37 bound to DNA was generated, which reveals amino termini-helices of dimerized LL-37 bind the major groove of DNA, with numerous DNA contacts made by LL-37 basic residues. This demonstrates a mutagenic role for antimicrobials previously thought to be insusceptible to resistance by mutation, highlighting a need to further investigate their role in evolution and pathoadaptation in chronic infections.

The coauthors summarize that antimicrobial peptides (AMPs) are produced by the mammalian immune system to fight invading pathogens, with their best understood function interaction with the membranes of microbes, thereby disrupting and killing cells. However, they note that the amount of AMP available during chronic bacterial infections may not be sufficient to kill pathogens (sub-inhibitory), and in their study, they found that at sub-inhibitory levels, AMPs promote mutations in bacterial DNA, a function not previously attributed to them. In particular, they found that in the bacteria Pseudomonas aeruginosa, one AMP called LL-37 can promote mutations, which enable the bacteria to overproduce a protective sugar coating, a process called mucoid conversion. P. aeruginosa mucoid conversion is a major risk factor for those suffering from cystic fibrosis (CF). The researchers found that LL-37 is able to produce these mutations by penetrating the bacterial cell and binding to the bacterial DNA. This DNA binding disrupts normal DNA replication and allows mutations to occur. Furthermore, they observed LL-37 induced mutagenesis in processes apart from mucoid conversion, in both P. aeruginosa and E. coli, suggesting that AMP-induced mutagenesis may be important for a broad range of chronic diseases and pathogens.

Taken together, the researchers conclude that an antimicrobial substance can, at low dose, function as a mutagen that makes bacteria more dangerous, and given that antimicrobial peptides similar to LL-37 are being discussed as promising leads for the development of new antibiotics, the scientists say their data “reinforce how important it is to consider the impact of current and novel treatments and the host immune response on evolution of microbial communities during chronic infections.”

Dr. Wozniak’s main research interests are in microbial pathogenesis and gene regulation, and the major goal of the Wozniak laboratory is to understand the molecular biology and pathogenesis of the bacterium Pseudomonas aeruginosa. This soil and water organism is a common, yet serious opportunistic pathogen. Additionally, P. aeruginosa causes severe pulmonary infections in patients with cystic fibrosis. Failure to control colonization with P. aeruginosa in CF patients is now the major cause of pulmonary debilitation in this group. The lab’s research has centered on genes involved in the regulation of several P. aeruginosa virulence factors. Molecular, biochemical, and genetic techniques are used address these issues.

The Wozniak lab team is currently investigating the biosynthesis and genetic regulation of two polysaccharides called alginate and Psl, which are critical factors in biofilm formation and thus pathogenesis of P. aeruginosa. Biofilms, which are defined as communities of microorganisms that are attached to a surface, play a critical role in infectious diseases. Because of their innate resistance to antibiotics, phagocytic cells, and other biocides, biofilms are difficult, if not impossible, to eradicate. Since the matrix contributes considerably to the highly resistant nature of the biofilm, it is anticipated that this work will lead to agents that could disrupt the matrix and be of significant therapeutic value patients colonized with P. aeruginosa. In this regard, we have ongoing collaborations with scientists to develop a conjugate vaccine for use in CF patients and to develop small molecule inhibitors of bacterial biofilms.

Among infectious diseases, respiratory infections are the leading cause of morbidity and a primary cause of death for children. At OSU, Dr. Wozniak is part of a team of investigators that study the host-pathogen interface in persistent airway infections. The long-term goals of their laboratory are to deepen our understanding of the interplay between host immunity and bacterial biofilms and to develop therapies to prevent persistence of infectious childhood agents by eliminating initial infection or progression to the biofilm mode of growth.

Ohio State University Wexner Medical Center Division of Infectious Diseases
PLOS Pathogens

Image Credits:
Ohio State University Wexner Medical Center Division of Infectious Diseases


Tłumaczenie na język polski – tłumacz Google

mukowiscydoza i komórki odpornościoweNaukowcy z Ohio State University Medical Center Wexnera Oddziału Chorób Zakaźnych Wydziału Medycyny Wewnętrznej w Columbus, Ohio odkryli, że niewydolność oddechowa spowodowana przewlekłym zakażeniem płuc z bakterii Pseudomonas aeruginosa jest częstą przyczyną śmierci u pacjentów z mukowiscydozą (CF).Badanie, opublikowane w czasopiśmie PLoS patogenów, pokazuje, że przeciwbakteryjny peptyd produkowany przez komórki ludzkiego układu odpornościowego mogą promować mutacje bakterii, które czynią ją bardziej śmiertelna.

CF jest chorobą genetyczną, która jest bardziej powszechne u osób pochodzenia europejskiego, a najczęściej śmiertelne choroby genetyczne wpływające północnoamerykańskich dzieci i młodych dorosłych. Nie ma jeszcze lekarstwa.

Zaburzenia wieloukładowa CF powoduje szereg objawów, które mogą obejmować:
• uporczywy kaszel z produktywne grubości śluzu
• świszczący oddech i duszność
• częste infekcje klatki piersiowej, które mogą obejmować zapalenie płuc
• zaburzenia jelit, takie jak niedrożność jelit lub częste, tłustej stolce
• Utrata wagi lub brak przyrostu masy ciała, mimo ewentualnego zwiększenia apetytu
• Salty degustacji potu
• Niepłodność (mężczyźni) i zmniejszenie płodności (kobiety)

Jednak CF dotyka głównie układu pokarmowego i płuc. Stopień zaangażowania choroby waha się od osoby do osoby, ale upór i ciągłe zakażenia w płucach, aw konsekwencji zniszczenia tkanek i utraty funkcji płuc, ostatecznie powoduje śmierć w większości ludzi, którzy mają mukowiscydozę. Typowe powikłania spowodowane przez mukowiscydozę trudności z trawieniem tłuszczów i białek; niedobór witamin z tytułu utraty enzymów trzustkowych; i postępującą utratą funkcji płuc.


Otwarty dostęp PLoS Pathogens papieru zatytułowany „kationowe peptydy przeciwbakteryjne Promuj drobnoustrojów mutagenezy i Pathoadaptation w przewlekłych infekcji” (24 kwietnia 2014 PLoS Pathog 10 (4):. e1004083 doi: 10,1371
journal.ppat.1004083) jest współautorem Dominique H . Limoli, Andrea B. Rockel, Kurtis M. Host, Anuvrat Jha, Benjamin T. Kopp, Thomas Hollis i odpowiada autor Daniel Woźniak, dr

danielwozniakDr Woźniak, profesor mikrobiologii i chorób wewnętrznych Interfejs mikrobiologiczne biologii z State University Medical Center Division Wexner Ohio Chorób Zakaźnych Wydziału Medycyny Wewnętrznej i jego koledzy badali proces zwany „śluzowe konwersji”, która obejmuje mutację Pseudomonas, które produkują lepki powłoki cukrowej bakterii, co czyni je bardziej odporne na różne zabiegi.Zwracają uwagę, że proces ten jest dość dobrze poznane i wymaga określonej mutacji genu o nazwie Pseudomonas muca.

Poszukiwania czynników ludzkiego gospodarza, że ​​ułatwienia muca mutacji, naukowcy odkryli, że komórki układu odpornościowego szczególne zwane polymorphonucleocytes (lub neutrofile), które są obecne w dużych ilościach w komórkach płuc u pacjentów z mukowiscydozą, może wywołać Pseudomonas śluzowe konwersji, i że specyficzny czynnik przeciwbakteryjny wytwarzany przez te komórki zwane LL-37 odgrywa kluczową rolę.

W dużych dawkach, LL-37 może zabić bakterie przez wywiercenie dużych otworów w ścianach komórkowych. Jednak przy niższych stężeniach (które wydają się naśladować sytuację w płucach chorych na mukowiscydozę), naukowcy odkryli, że niektóre cząsteczki LL-37 można wprowadzić do komórek bakteryjnych, bez zabijania ich. Wewnątrz LL-37 wydaje się być zdolne do bezpośredniej interakcji i zmienia bakteryjnego DNA, co prowadzi do mutacji genu muca. Powstały konwersji śluzowe czyni bakterie drażowane następnie odporne na wyższych dawek LL-37, w tym dawki, które łatwo uśmierca „nagi” bakterii Pseudomonas przed śluzowato konwersji.


Naukowcy dalej pokazać, że Q-37 może powodować mutacje poza tym w muca zarówno w Pseudomonas i E. coli, wykazując, że jego funkcja jako mutagenu nie jest ograniczony do konkretnego genu ani konkretnego patogenu.

Współtwórcom wyjaśnić w sposób abstrakcyjny badania nabycie mutacji adaptacyjnych jest niezbędna dla trwałości mikrobiologicznej podczas przewlekłych infekcji – tak zwłaszcza w czasie przewlekłych zakażeń płuc Pseudomonas aeruginosa w przebiegu mukowiscydozy (CF) pacjentów. Jak dotąd, zauważają, że mutagenezy została przypisana do wytwarzania form reaktywnych przez polymorphonucleocytes (PMN) i leczenie antybiotykami. Jednak ich obecne badania mutagenezy prowadzącej do P. aeruginosa śluzowato konwersji wykazały potencjalnego nowego mutagen. Ustalenia naukowców potwierdzają, że bieżący reaktywne formy tlenu mogą promować mucoidy in vitro, ale ujawnił PMN są biegli w indukowaniu śluzowe konwersji w przypadku braku wybuchu oddechowego.

Że obserwacje doprowadziły do ​​odkrycia, że ​​kationowe peptydy przeciwbakteryjne może być mutagenne i promowania mucoidy. Przedmiotem szczególnego zainteresowania był człowiekiem cathelicidin LL-37, kanonicznie znane rozerwania błon bakteryjnych prowadzących do śmierci komórki. Alternatywą rolę ujawniony w stężeniach sub-hamujące, w którym Q-37 okazała się indukować mutacje w genach kodujących muca negatywny regulator mucoidy i promowania opornością na ryfampinę zarówno P. aeruginosa i Escherichia coli. Mechanizm mutagenezy okazał się zależny od stężenia hamujące sub-LL-37 wprowadzanych cytozolu bakteryjnych i wiąże się z DNA. LL-37/DNA interakcje następnie promować syntezę DNA translesion przez DinB polimerazy, który podatny na błędy replikacji nasila mutacje. Model Q-37 wiąże się z DNA wytworzone, które ujawnia aminowe TERMINI-heliksy dimeryzowanej LL-37 wiążą się z dużej bruzdy DNA, z wieloma stykami DNA wykonanych przez LL-37 reszt zasadowych. To pokazuje mutagenny rolę przeciwdrobnoustrojowych uznawanych wcześniej za nieczuły na opór mutacji, podkreślając potrzebę dalszego badania ich rolę w ewolucji i pathoadaptation w przewlekłych zakażeń.

Współtwórcom podsumować, że peptydy przeciwbakteryjne (ampery) są produkowane przez układ odpornościowy ssaka do zwalczania inwazji patogenów, z ich najlepiej pojętym interakcji z funkcji błony bakterii, tym samym zakłócając i zabijania komórek. Jednakże zauważyć, że ilość AMP dostępne w chronicznych infekcjach bakteryjnych, może nie być wystarczający do zabicia patogenów (podzespół hamujący), w toku badań okazało się, że na poziomie sub-hamujący AMP promowania mutacje w bakteryjnym DNA, funkcji nie wcześniej przypisany do nich. W szczególności okazało się, że w bakterii Pseudomonas aeruginosa, jeden AMP nazwie LL-37 może promować mutacje, które umożliwiają bakterii do nadprodukcji cukru powłokę ochronną, proces zwany śluzowe konwersji. P. aeruginosa śluzowe konwersji jest głównym czynnikiem ryzyka dla osób cierpiących na mukowiscydozę (CF). Badacze stwierdzili, że Q-37 jest zdolny do wytworzenia tych mutacji przez penetrację komórki i wiązanie się bakterii do bakteryjnego DNA. Ten DNA wiąże zakłóca normalne replikacji DNA oraz umożliwia mutacje występują. Co więcej, zaobserwowano LL-37 w procesie indukowanej przez mutagenezę oprócz śluzowato konwersji zarówno P. aeruginosa, E. coli, co sugeruje, że wywołane przez mutagenezę AMP może być ważne dla szerokiego zakresu chorób przewlekłych i patogenów.

Podsumowując, badacze wnioskują, że substancja antybakteryjna może, w małej dawce, funkcja i mutagennych, które sprawia, że ​​bakterie bardziej niebezpieczne, a biorąc pod uwagę, że peptydy przeciwbakteryjne podobne do LL-37 zostały omówione jako obiecujących prowadzi do rozwoju nowych antybiotyków, Naukowcy twierdzą, że ich dane „wzmocnienia, jak ważne jest, aby wziąć pod uwagę wpływ obecnych i nowych metod leczenia i odpowiedzi immunologicznej gospodarza na rozwoju mikroorganizmów podczas przewlekłych infekcji.”

Główne zainteresowania badawcze dr Woźniak są w patogenezie bakterii i regulacji genów, a głównym celem laboratorium Wozniak jest zrozumienie biologii molekularnej i patogenezy bakterii Pseudomonas aeruginosa. Gleby i wody, to organizm jest powszechne, ale poważną oportunistycznym patogenem.Dodatkowo, P. aeruginosa powoduje ciężkich zakażeń płuc u pacjentów z mukowiscydozą. Brak kontroli kolonizację z P. aeruginosa u pacjentów z mukowiscydozą jest główną przyczyną osłabienia płuc w tej grupie. Badania w laboratorium w skupiło się genów zaangażowanych w regulację kilku P. aeruginosa czynników wirulencji. Molekularne, biochemiczne i genetyczne techniki są stosowane rozwiązania tych problemów.

Zespół laboratorium Woźniak bada obecnie biosyntezę i regulację genetyczną dwóch polisacharydów zwanych alginian i PSL, które są kluczowymi czynnikami w tworzeniu biofilmu a więc patogeneza P. aeruginosa. Warstwy biologiczne, które są zdefiniowane jako społeczności mikroorganizmów, które są przymocowane do powierzchni, odgrywają kluczową rolę w chorobach zakaźnych. Ze względu na ich wrodzoną odporność na antybiotyki, komórek fagocytarnych, i innych biocydów biofilm trudne, jeśli nie niemożliwe, do zwalczenia. Ponieważ matryca znacznie przyczynia się do wysoce odpornego charakteru biofilmu, przewiduje się, że praca będzie prowadzić do środków, które mogą zakłócać matrycy i znaczącą wartość terapeutyczną u skolonizowane przez P. aeruginosa. W związku z tym, mamy bieżące współpracę z naukowcami w celu opracowania szczepionki sprzężone do stosowania u chorych na mukowiscydozę oraz rozwój drobnocząsteczkowe inhibitory biofilmu bakteryjnego.

Wśród chorób zakaźnych, zakażenia układu oddechowego są najczęstszą przyczyną zachorowalności i główną przyczyną śmierci dzieci. W OSU, dr Woźniak jest częścią zespołu badaczy, że studiują interfejsu host-patogen w uporczywe infekcje dróg oddechowych. Długoterminowe cele ich laboratorium jest pogłębienie naszej wiedzy na temat interakcji pomiędzy odporności gospodarza oraz biofilmu bakteryjnego oraz opracowanie terapii, aby zapobiec utrzymywaniu się czynników zakaźnych wieku dziecięcego poprzez eliminację zakażenia lub progresji do trybu biofilmu wzrostu.

Ohio State University Medical Center Wexnera Oddział Chorób Zakaźnych
PLoS patogenów

Twórcy obrazu:
Ohio State University Medical Center Wexnera Pion Chorób Zakaźnych

[wysija_form id=”7″]

view more articles

About Article Author

write a comment


No Comments Yet!

You can be the one to start a conversation.

Add a Comment

Your data will be safe! Your e-mail address will not be published. Other data you enter will not be shared with any third party.
All * fields are required.

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.