Role of Host MicroRNAs in Staphylococcus aureus Infection

Abstract

Staphylococcus aureus is a Gram-positive bacterium that colonizes about 30% of the human population. S. aureus has become a major health concern due to its ability to infect any host tissue and to readily acquire antibiotic resistance. Although S. aureus was initially considered an extracellular pathogen, it is currently accepted that it invades and replicates both in non-phagocytes and phagocytes in order to escape the host innate immune system, as well to contribute to bacterial intracellular persistence. However, these mechanisms are still poorly understood prompting further investigation. Previous studies have shown that microRNAs (miRNAs) play a crucial role in the interplay between several bacterial pathogens and host cells, by regulating expression of genes that participate in host cell defence mechanisms, and also because their regulation can be exploited by the bacteria to favour infection. The aim of this project was to characterise the highest-ranking miRNAs identified previously to modulate S. aureus infection (88 miRNAs) in epithelial cells. Using fluorescence microscopy to analyse infection, we initially validated the effect of the 88 selected microRNAs in S. aureus USA300 wild-type infection of epithelial cells, which revealed that the majority of the miRNA mimics modulated infection as expected. S. aureus is known to invade different types of host cells therefore we evaluated the effect of the 88 miRNAs on S. aureus infection of endothelial cells. We observed major differences between the effect of the miRNAs on the infection of the two host cell types (epithelial vs endothelial). Indeed, in endothelial cells only 3 miRNAs decreased substantially S. aureus total infection, 5 miRNAs increased S. aureus high infection, and 16 miRNAs decreased this parameter. The difference between the effect of the 88 miRNAs on infection of epithelial cells and endothelial cells may be explained by the different S. aureus intracellular fate and also by the differential miRNA target expression between the two host cell lines. Since it is known that there are major differences in the infection between S. aureus clinical isolates, we evaluated the effect of the miRNAs on the infection by strains selected from two S. aureus clinical isolate collections. The effect of the miRNAs in the infection of the various S. aureus strains was quite similar, with only nine miRNAs leading to differential modulation of infection. In conclusion, the characterisation of the 88 miRNAs led to the identification of seven miRNAs that exerted the same regulatory effect on S. aureus infection of both epithelial and endothelial cells, and on infection by the three S. aureus strains tested. Further characterization of these miRNAs eliciting common phenotypes, as well as of miRNAs that differentially regulate infection according to cell type or bacterial strain, will likely contribute to uncover novel host players important for S. aureus infection.

Staphylococcus aureus é uma bactéria Gram-positiva que coloniza cerca de 30% da população humana. S. aureus tem-se tornado uma séria preocupação para a saúde pública devido à sua capacidade de infetar qualquer tecido do hospedeiro e por conseguir adquirir facilmente resistência a antibióticos. Apesar de ter sido considerado inicialmente um patógeno extracelular, neste momento é aceite como sendo capaz de invadir células fagocitárias e não fagocitárias, de modo a evadir o sistema imunitário do hospedeiro e persistir intracelularmente. No entanto, estes mecanismos ainda são pouco conhecidos, necessitando de mais investigação. Estudos anteriores mostram que microRNAs (miRNAs) têm um papel crucial na relação entre vários patógenos bacterianos e as células hospedeiras, através da regulação de genes que participam nos mecanismos de defesa do hospedeiro, mas também porque podem ser explorados pelas bactérias, favorecendo a infeção. O objetivo deste projeto era caracterizar os 88 microRNAs que foram identificados anteriormente como moduladores da infeção por S. aureus em células epiteliais. Através do uso de microscopia de fluorescência para analisar os parâmetros de infeção, validámos o efeito destes miRNAs na infeção de células epiteliais com S. aureus USA300, revelando que a maioria dos miRNAs regularam a infeção como esperado. S. aureus consegue invadir diversos tipos de células hospedeiras, portanto avaliámos o efeito dos miRNAs na infeção de células endoteliais por S. aureus USA300. Observaram-se diferenças substanciais no efeito dos miRNAs entre a infeção por S. aureus de células endoteliais e epiteliais. Na infeção de células endoteliais apenas 3 miRNAs diminuíram substancialmente a infeção total, 5 miRNAs aumentaram infeção elevada por S. aureus, e 16 miRNAs diminuíram este parâmetro. A diferença entre o efeito dos 88 miRNAs na infecção de células epiteliais e células endoteliais pode ser explicada pelo diferente destino intracelular do S. aureus, mas também pela expressão diferencial de targets dos miRNAs entre as duas linhagens de células hospedeiras. Como já foram observadas diferenças significativas na infeção por diversos isolados clínicos de S. aureus, avaliámos o efeito dos 88 miRNAs na infeção por dois isolados clínicos de S. aureus. O efeito dos miRNAs na infeção pelos dois isolados clínicos foi bastante semelhante, apresentando diferenças em apenas nove miRNAs.Em conclusão, a caracterização dos 88 microRNAs levou à identificação de sete miRNAs que modularam de forma semelhante a infeção por S. aureus de dois tipos celulares e a infeção pelas três estirpes de S. aureus testadas. A caracterização dos miRNAs que deram origem a fenótipos comuns, bem como dos miRNAs que regulam diferencialmente a infeção de acordo com o tipo de célula ou estirpe bacteriana, provavelmente contribuirá para a descoberta de novos fatores do hospedeiro importantes para a infecção por S. aureus.