mRNA profiles of human monocytes and macrophages from patients with active pulmonary tuberculosis and infected with two Colombian clinical isolates of Mycobacterium tuberculosis

Abstract

Alveolar macrophages (AMs) and monocytes (Mo) are an important focus in tuberculosis (TB) research since play an essential role in the immune response to Mycobacterium tuberculosis (Mtb). During lung infection, Mtb subverts the bactericidal mechanisms of these professional phagocytes. Comprehension of this host-pathogen relationship is fundamental for the development of new therapies to cure and prevent TB. We hypothesized that there is an effect of the disease (TB) on patterns of gene expression of Mo and AMs from patients with active TB compared to control subjects. The systemic effects of TB could have an impact on the response to infection with Mtb during active disease. Additionally, Mtb can spread and infect other organs, leading to extra-pulmonary forms of the disease. There is limited evidence of the global mRNA response of human Mo and AMs to infection with Mtb, and the response of other tissue macrophages to Mtb is almost unknown. In addition, the virulence of Mtb strain can also modify the transcriptional responses of monocytes and macrophages. Therefore, the transcriptional profiles of these cells in response to infection by virulent Mtb strains could highlight the clinical spectrum of the disease. Therefore, in the present study, we examined the mRNA profiles of Mo and AMs from patients with active TB, as well as splenic macrophages (SMs) as a study model of extrapulmonary TB. These mRNA profiles were also analyzed in response to in vitro infection with two Colombian clinical isolates of the LAM family of Mtb (UT127 and UT205). The LAM family is one of the most frequent circulating in our city, and there is evidence that the virulence of the strain is an important component of TB. Some data from our group suggest that clinical isolates UT127 and UT205 may differ in virulence and there are interesting genomic differences between them. In this scenario, our main questions were: In response to the disease (TB): ¿Is there a systemic effect of TB on gene expression patterns of Mo and AMs of patients with TB? ¿Are there differences between the transcriptome from Mo and AMs of patients with TB compared to healthy individuals? In response to in vitro infection: ¿How different is the response to in vitro Mtb infection between Mo from patients with TB and healthy individuals? ¿Are there differences between the in vitro response to infection with Mtb between AMs of patients with TB and AMs of healthy individuals? ¿Do AMs and SMs respond differently to clinical isolates of Mtb with different virulence? VI

Circulating monocytes from TB patients displays a pro-inflammatory transcriptome characterized by increased gene expression for proinflammatory cytokines, monocytopoiesis, and downregulation of MHC class II gene expression. In response to in vitro infection with two clinical isolates the LAM family of Mtb, monocytes from TB patients displayed and attenuated inflammatory mRNA profile associated with upregulation of a SIRT1 deacetylase pathway and downregulation the TREM1 signaling pathway. These results suggest that circulating monocytes from TB patients display an altered transcriptome that upon infection with Mtb may help to maintain the infection. Moreover, this functional abnormality of monocytes may also depend on potential differences in virulence of circulating clinical strains of Mtb. In contrast, AMsTB show unique gene expression profile dominated by 51 differentially expressed genes (DEGs) associated with pathways and networks related to altered functions in AMsTB. An exacerbated inflammatory response was observed, consistent with the expression of genes involved in cell migration, tissue damage, and cell proliferation. On the other hand, down-regulation of genes involved in control of Mtb infection was also observed, suggesting that the balance between the pro and anti-inflammatory response is required. In response to infection with Mtb, AMsTB display and attenuated transcriptomic response to Mtb infection, compared to AMs from individuals without active TB. AMsTB regulated genes associated with IFN-signaling pathways, and several critical pathways in active TB were induced such as inflammasome (AIM2), FC pathway receptor (FCGR1A), and myeloid inflammatory pathway (TREM1). Surprisingly, the analysis of the mRNA profiles of the SMs infected with UT127 or UT205 showed lower transcriptomic response compared to AMs, suggesting a clear-cut difference in the transcriptomic response between AMs and SMs in their capacity to respond to Mtb

Macrófagos alveolares (AMs) y monocitos (Mo) son un foco importante en la investigación de la tuberculosis (TB), ya que desempeñan un papel esencial en la respuesta inmune a Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Durante la infección pulmonar, Mtb manipula los mecanismos bactericidas de estos fagocitos profesionales. La comprensión de esta relación huésped-patógeno es fundamental para el desarrollo de nuevas terapias para curar y prevenir la TB. Nuestra hipótesis es que existe un efecto de la enfermedad (TB) sobre los patrones de expresión génica de Mo y AMs de pacientes con TB activa en comparación con los sujetos controles sanos. Los efectos sistémicos de la TB podrían tener un impacto en la respuesta a la infección con Mtb durante la enfermedad activa. Adicionalmente, Mtb puede diseminarse e infectar otros órganos, dando lugar a formas extra-pulmonares de la enfermedad. Existe evidencia limitada sobre la respuesta global de ARNm de AMs humanos a la infección con Mtb; y la respuesta de otros macrófagos tisulares hacia Mtb es casi desconocida. Además, la virulencia de la cepa de Mtb también puede modificar las respuestas transcripcionales de los monocitos y macrófagos. Por lo tanto, los perfiles transcripcionales de estas células en respuesta a la infección por cepas de Mtb virulentas podrían resaltar el espectro clínico de la enfermedad. Por lo tanto, en el presente estudio, nosotros examinamos los perfiles de ARNm de Mo y AMs de pacientes con TB activa, así como macrófagos esplénicos (SMs) como modelo de estudio de la TB extrapulmonar. Estos perfiles de mRNA también fueron analizados en respuesta a la infección in vitro con dos aislados clínicos colombianos de la familia LAM de Mtb (UT127 y UT205). La familia LAM es una de las más frecuentes que circulan en nuestra ciudad, y existen evidencias que indican que la virulencia de la cepa es un componente importante de la TB. Algunos datos de nuestro grupo sugieren que los aislados clínicos UT127 y UT205 pueden diferir en virulencia y existen diferencias genómicas interesantes entre ellos. En este escenario, nuestras preguntas principales fueron: En respuesta a la enfermedad (TB): ¿Existe un efecto sistémico de la TB sobre patrones de expresión génica de Mo y AMs de pacientes con TB? ¿Son diferentes los transcriptomas de Mo y AMs de pacientes con TB comparados con los individuos sanos? En respuesta a la infección in vitro: ¿Qué tan diferente es la respuesta a la infección entre Mo de individuos sanos y la de los pacientes con TB? ¿Es diferente la respuesta a la infección con Mtb entre AMs de pacientes con TB y AMs de individuos sanos? ¿AMs y SMs responden de manera diferente a los aislados clínicos de Mtb con diferente virulencia? Nosotros encontramos que monocitos circulantes de pacientes con TB muestran un transcriptoma pro-inflamatorio caracterizado por una mayor expresión génica para las citocinas proinflamatorias, la monocitopoyesis y la regulación negativa de la expresión génica de MHC de clase II. En respuesta a la infección in vitro con los aislados clínicos de Mtb, los monocitos de pacientes con TB mostraron y atenuación en el perfil inflamatorio de ARNm asociado con la regulación positiva de la vía de señalización desacetilasa SIRT1 y la regulación negativa de la vía de señalización TREM1. Estos resultados sugieren que los monocitos circulantes de pacientes con TB muestran un transcriptoma alterado que, tras la infección con Mtb, puede ayudar a mantener la infección. Además, esta anormalidad funcional de los monocitos también puede depender de posibles diferencias en la virulencia de las cepas clínicas circulantes de Mtb. En contraste, AMsTB mostraron un perfil de expresión génica único dominado por 51 genes expresados diferencialmente asociados con una respuesta inflamatoria exacerbada, consistente con la expresión de genes involucrados en la migración celular, daño tisular y proliferación celular. Por otro lado, también se observó una baja regulación de genes involucrados en el control de la infección por Mtb, sugiriendo que el equilibrio entre la respuesta pro-inflmatorias y anti-inflamatorias ess requerido. En respuesta a la infección con Mtb, AMsTB muestran una respuesta transcriptómica atenuada en comparación con AMs de individuos controles sanos. Los genes regulados por AMsTB fueron asociados con las vías de señalización de IFNs, inflamasoma (AIM2), el receptor de la vía FC (FCGR1A) y la vía inflamatoria mieloide (TREM1). Sorprendentemente, el análisis de los perfiles de ARNm en los SMs infectadas con UT127 o UT205 mostró una respuesta transcriptómica más baja en comparación con las AMs, lo que sugiere una diferencia clara en la respuesta transcriptomica entre AMs y SMs y su capacidad de responder a Mtb.