ATG7 e ATG14 limitano la replicazione citosolica e fagosomica del Mycobacterium tuberculosis nei macrofagi umani

Nature Microbiology volume 8, pagine 803–818 (2023) Citare questo articolo

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L'autofagia è un meccanismo di difesa immunitaria innato cellulare contro i microrganismi intracellulari, incluso il Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Il modo in cui l'autofagia canonica e non canonica funziona per controllare l'infezione da Mtb nei fagosomi e nel citosol rimane irrisolto. I macrofagi sono la principale cellula ospite negli esseri umani per Mtb. Qui abbiamo studiato i contributi dell'autofagia canonica e non canonica nei macrofagi derivati ​​​​da cellule staminali pluripotenti indotte umanamente trattabili (iPSDM), utilizzando una serie di mutanti Mtb generati nello stesso background genetico del comune ceppo di laboratorio H37Rv. Abbiamo monitorato la replicazione di mutanti Mtb che non sono in grado di innescare l'autofagia canonica (Mtb ΔesxBA) o che, secondo quanto riferito, non sono in grado di bloccare l'autofagia non canonica (Mtb ΔcpsA) in iPSDM privi di ATG7 o ATG14 utilizzando imaging ad alto contenuto a cellula singola. Riportiamo che l'eliminazione di ATG7 da parte di CRISPR-Cas9 in iPSDM ha comportato un aumento della replicazione di Mtb di tipo selvaggio ma non di Mtb ΔesxBA o Mtb ΔcpsA. Mostriamo che la cancellazione di ATG14 ha comportato un aumento della replicazione sia del tipo selvatico Mtb che del mutante Mtb ΔesxBA. Utilizzando reporter Mtb e imaging quantitativo, abbiamo identificato un ruolo per ATG14 nella regolazione della fusione dei fagosomi contenenti Mtb con i lisosomi, consentendo così la restrizione dei batteri intracellulari. Concludiamo che ATG7 e ATG14 sono entrambi necessari per limitare la replicazione di Mtb nei macrofagi umani.

Due principali percorsi autofagici sono stati implicati nella difesa dell'ospite contro i patogeni intracellulari: il percorso canonico della xenofagia1,2,3 e un percorso non canonico denominato fagocitosi associata a LC3 (LAP)4,5. La xenofagia è una forma specializzata di macroautofagia in cui la biogenesi dell'autofagosoma de novo cattura i batteri negli autofagosomi a doppia membrana che sono mirati ai lisosomi6. La rottura dei batteri contenenti fagosomi innesca l'esposizione delle porzioni di carboidrati luminali al citosol che vengono riconosciute dalle galectine per avviare la xenofagia7,8. La xenofagia può anche essere avviata dall'ubiquitinazione delle proteine ​​dell'ospite e del patogeno e del lipopolisaccaride durante il danno alla membrana, nonché in seguito alla fuga di batteri nel citosol9,10. Nella LAP, i membri della famiglia delle proteine ​​autofagiche Atg8 vengono coniugati direttamente alle singole membrane fagosomiali per consentire la maturazione dei fagosomi4. È stato dimostrato che il targeting degli agenti patogeni sul LAP ha esiti diversi; in alcuni casi è restrittivo, ma in altri favorisce la replicazione batterica5. Meccanicamente, LAP richiede il meccanismo di lipidazione LC3 di Atg7, Atg3 e Atg5-12-16L1, nonché il complesso PI3K (Beclin1, UVRAG, Rubicon, Vps34 e Atg101) e la generazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) da parte della NADPH ossidasi . LAP non richiede i componenti del complesso ULK1 né Atg14, entrambi essenziali per la xenofagia11. Nonostante i recenti progressi, la regolazione spaziale e temporale tra le risposte autofagiche canoniche (xenofagia) e non canoniche (LAP) durante l'infezione con agenti patogeni intracellulari rimane scarsamente caratterizzata nei macrofagi umani.

Esistono prove che la xenofagia e la LAP hanno un ruolo nella risposta dei macrofagi ospiti all'infezione da Mycobacterium tuberculosis (Mtb)2,12. D'altra parte, Mtb trasporta diversi effettori batterici nelle cellule ospiti che interferiscono con l'autofagia13. Inoltre, Mtb danneggia la membrana fagosomiale ed entra nel citosol dell'ospite attraverso l'azione coordinata del sistema di secrezione di tipo 7 ESX-1 (T7SS) codificato all'interno della regione della differenza 1 (RD1)14,15,16 e dei lipidi della parete cellulare ftiocerolo dimicocerosati (PDIM)17,18,19,20. Il targeting di Mtb verso l'autofagia e l'evasione da parte di Mtb sono altamente dinamici e regolati temporalmente13,21. Il danno indotto da Mtb alla membrana fagosomale induce complesse strutture autofagosomiche tubulovescicolari (LC3-TVS)22. In seguito all'induzione di LC3-TVS, Mtb si separa dalle membrane autofagosomiali, eludendo la xenofagia e fuggendo nel citosol22. La rimanente sottopopolazione fagosomiale di Mtb manipola attivamente il percorso di maturazione dei fagosomi13. Tuttavia, per una sottopopolazione di batteri che accedono al citosol, il targeting per xenofagia ha probabilmente successo e porta alla loro restrizione. LAP non contribuisce alla restrizione di Mtb wild type (WT) nei macrofagi di topo perché Mtb sovverte questo percorso attraverso la secrezione di CpsA. CpsA blocca l'azione della NADPH ossidasi e quindi riduce l'attivazione dei ROS fagosomiali e delle LAP12.