The Role of Heme Oxygenase 1 in Regulating Iron Homeostasis and Innate Immune Response to Salmonella Infection

Makrophagen spielen in der angeborenen Immunantwort gegen infektiöse Pathogene eine entscheidende Rolle. Dabei kommt dem Enzym Hämoxygenase (HO-1, hmox) die Bedeutung zu den Abbau von freiem Hämoglobin aus alten Erythrozyten zu äquimolaren Mengen an Kohlenstoffmonoxid, Eisen und Biliverdin zu katalysieren. Neben dem Hauptsubstrat Häm wird HO-1 durch Substanzen, wie bakterielle Endotoxine transkriptionell reguliert. Die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase und die Kontrolle von Entzündungsreaktionen ist dabei eine wichtige regulatorische Funktion. Die zu Grunde liegenden Effekte der Wirt-Erreger-Interaktion im Makrophagen und die damit assoziierten Veränderungen des Eisenstoffwechsels und der angeborenen Immunantwort sind jedoch kaum verstanden. Die Verwendung von murinen Makrophagen (RAW264.7) und die Generierung eines induzierbaren lentiviralen shRNA Transduktionssystems erlaubte den Einfluss auf die Regulation von Eisenstoffwechsel und Immunantwort bei Salmonella enterica serovar Typhimurium Infektion zu untersuchen, die zu schweren akuten Bakterämien führt. Hier zeigte sich, dass hmox knockdown Makrophagen einen vermehrten durch Ferroportin vermittelten Eisenexport aufweisen und zudem die intrazellulären Salmonellen deutlich besser kontrollieren. Dieser Effekt lässt sich auf eine verminderte Eisenverfügbarkeit und eine dadurch verbesserte Immunantwort zurückführen. Weiters spielte die Bildung von reaktiven Sauerstoffmolekülen eine bedeutende Rolle und zeigt, dass sowohl Eisenrestriktion als auch vermehrte ROS Produktion für eine entsprechende Immunantwort via Aktivierung von NF-B entscheidend sind. Die Daten unterstreichen die zentrale Rolle der HO-1 bei der Bekämpfung intrazellulärer Erreger durch ihre Fähigkeit antibakterielle Immunsignalwege und zelluläre Eisenhomöostase zu steuern.Macrophages play an essential role in innate immune response to infectious pathogens. During inflammatory conditions, heme oxygenase 1 (HO-1) becomes rate limiting mechanism in the catabolism of hemoglobin originating from senescent erythrocytes to yield carbon monoxide, iron and biliverdin. Apart from the major substrate heme, the transcriptional up-regulation of hmox follows cellular exposure to agents such as bacterial endotoxins, linking its expression to a general marker of oxidative stress, thereby exerting its key regulatory function in maintaining cyto-protection and inflammatory control. However, the role of HO-1 in host pathogen interaction involving macrophages and its impact on iron homeostasis and innate immune function are incompletly understood.In murine macrophage cells (RAW264.7) and using lentivirus based transduction of hmox shRNA for gene knockdown, we observed alterations in the gene signature of iron metabolism genes, most prominent with an up-regulation of the iron exporter ferroportin. To study the relevance of these observations for host response we infected macrophages with Salmonella enterica serovar Thyphimurium known to cause acute, fatal bacteremia. The knockdown of hmox reduced the survival of Salmonella in macrophages whereas it had no effect on pathogen uptake. The improved pathogen control can be traced back to reduced iron availability for intra-macrophage bacteria and improved innate immune function as a consequence of increased ferroportin expression. Moreover, hmox knockdown further contributes to attenuation of Salmonella infection via production of reactive oxygen species (ROS). Thus, both iron restriction and ROS production resulted in NF-B activation and increase of pro-inflammatory immune response. Taken together, these data highlight a central role for HO-1 in the control of intracellular bacteria via orchestration of iron homeostasis and immune modulatory functions.by Anna Maria MitterstillerAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheInnsbruck, Univ., Diss., 2014OeBB(VLID)13102