The Soil Bacterium Methylococcus capsulatus Bath and its Interactions with Human Immune Cells in vitro

• Main Author: Indrelid, Stine
• Other Authors: Lea, Tor, Mathiesen, Geir, Kleiveland, Charlotte Ramstad
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Norwegian University of Life Sciences, Ås 2017
• Subjects: Microbe-host interactions; Environmental bacteria; Immune regulation; Dendritic cells; Immune regulatory bacteria; Immunobiotics; Mathematics and natural science: 400; Bak; Atlanterhavslaks; Atlantic salmon; Salmo salar
• Online Access: http://hdl.handle.net/11250/2500633

Whereas a role for commensal microbes in the development and normal function of the immune system is well established, a potential role for environmental bacteria in regulating immunity has been widely disregarded. However, the fact that the human immune system has evolved in the presence of, and in interaction with, microbial species from soil, water, air and fermented foods suggests that microbes from the environment may have co-evolved roles in immune system development and regulation. In 2010 BioProtein, a feed product in which the soil bacterium, M. capsulatus Bath is the main component, was shown to prevent the development of soya-induced enteritis in Atlantic salmon (Salmo salar). In 2013 BioProtein was shown to prevent the development of inflammation in a dextran sulfate sodium induced murine colitis model. Furthermore, it was shown that the effect could be reproduced using a bacterial meal consisting of M. capsulatus (Bath) only, without the additional components present in BioProtein, showing that M. capsulatus is the active principle in BioProtein. The study suggested potent immunomodulatory properties of a non-commensal soil bacterium in mammals. However the mechanisms involved and the bacterial components responsible for these effects have not been identified. This thesis present three studies describing characteristics of M. capsulatus Bath, its interactions with human immune cells and functional consequences of these interactions. Bacterial surface proteins, and proteins released to the environment, are important for how bacteria interacts with its surroundings in paper I we conducted an computational and experimental analysis of the secretome of M. capsulatus Bath. Results show that M. capsulatus (Bath) secretes proteins likely to be involved in adhesion, colonization, nutrient acquisition and homeostasis maintenance and suggests a potential for M. capsulatus Bath to interact with host cells. In paper II we examined the interaction of M. capsulatus Bath with human leukocytes. Whereas a potential for M. capsulatus to engage in host interactions was suggested by results in paper I, paper II show that M. capsulatus Bath adheres specifically to human dendritic cells (DCs), but not to other cells present amongst peripheral blood mononuclear cells. DC play a central role in T cell immunity, and we showed that M. capsulatus compared to a probiotic Gram-positive bacterium and a Gram-negative bacterium of commensal origin induced intermediate phenotypic and functional DC maturation. In a mixed lymphocyte reaction M. capsulatus Bath primed monocyte-derived dendritic cells (MoDCs), enhanced T cell expression of CD25, the α-chain of the high affinity IL-2 receptor, supported cell proliferation, and induced a T cell cytokine profile distinct from the control bacteria. M. capsulatus Bath thus modulate MoDC functions in vitro. In paper III, to gain a more detail knowledge of how M. capsulatus Bath affects DC functions related to tolerogenic and immunogenic responses we applied genome wide transcriptomic analysis to MoDCs primed by M. capsulatus or two established probiotic bacteria that have also been reported to have protective effects in models of intestinal inflammation. Results confirmed that M. capsulatus Bath modulates MoDC gene expression and induces a state of maturation, cytokine and chemokine production intermediate between the two probiotic bacteria. Furthermore, M. capsulatus Bath induces MoDC expression of genes for immunosuppressive/immune regulatory cytokines, increases expression of the gene for galectin-10, a lectin involved in the suppressive function of human regulatory T cells and regulatory eosinophils, and reduces expression of the gene for CD70 a promising therapeutic target in chronic inflammatory bowel disease. Det er kjent at kommensale bakterier spiller en viktig rolle både i utviklingen av immunsystemet og i regulering av normalt immunforsvar. Derimot har miljøbakteriers betydning for regulering av immunsystemet vært lite studert. Fordi det humane immunsystemet har oppstått omgitt av-, og i samspill diverse og tallrike mikrober fra jord, vann, luft, og fermenterte matvarer er det likevel rimelig å anta at disse også gjennom evolusjon kan ha fått viktige roller i utviklingen av-, og regulering av, et velfungerende immunforsvar. BioProtein, et bakterielt fôr produkt der jordbakterien Methylococcus capsulatus er hovedkomponent, ble i 2010 vist å hindre utvikling av soyaindusert enteritt i Atlanterhavslaks (Salmo salar). I 2013 ble BioProtein vist også å beskytte mot utvikling av betennelse i en kjemisk indusert kolittmodell i mus. Samtidig ble det vist at et fôrtilskudd av M. capsulatus Bath alene, uten tilleggskomponentene som er tilstede i BioProtein, hadde den samme beskyttende effekten. Dette viste at M. capsulatus Bath er det aktive terapeutiske prinsippet i BioProtein, og at denne ikke-kommensale miljøbakterien har potente immunmodulerende egenskaper i pattedyr. Mekanismene bak, og de bakterielle faktorene som bidrar til denne beskyttende effekten er ikke kjent. I denne avhandlingen presenteres tre studier som beskriver funksjonelle egenskaper ved M. capsulatus Bath, bakteriens interaksjoner med sentrale humane immune celler, og funksjonelle konsekvenser av disse interaksjonene. Sekreterte proteiner er viktige for hvordan bakterier samhandler med sine omgivelser. I studien presentert i artikkel I utførte vi en analyse av sekretomet til M. capsulatus Bath ved hjelp av computerbaserte og eksperimentell tilnærming. Resultatene av denne studien viste at M. capsulatus Bath sekreterer proteiner med antatt funksjon i kolonisering, næringsopptak, homeostaseregulering og binding til overflater. Resultater fra denne analysen antydet også et potensiale for M. capsulatus Bath til å interagere med vert. I artikkel II ønsket vi å undersøke hvordan M. capsulatus Bath påvirker humane leukocytter. Der resultater fra artikkel I antyder et potensiale for vertsinteraksjon viser resultater i artikkel II at M. capsulatus Bath binder seg spesifikt til dendrittiske celler, men ikke andre celletyper blant mononukleære blodceller. Dendrittiske celler spiller en viktig rolle i T celle immunitet, og resultater fra artikkel II viser at M. capsulatus Bath, sammenlignet med en probiotisk Gram-positiv bakterie og en Gram-negativ bakterie av kommensalt opphav, induserer moderat fenotypisk og funksjonell DC modning. I en blandet leukocytt kultur induserte monocyttderiverte dendrittiske celler (MoDC) stimulert med M. capsulatus Bath økt T celle uttrykk av CD25, α-kjeden til høyaffinitets IL-2 reseptor, økt T celle proliferasjon og en T celle-cytokinprofil distinkt fra MoDC stimulert av kontrollbakteriene M. capulatus Bath modulerer dermed viktige DC funksjoner in vitro. In arbeidet presentert i artikkel III, ønsket vi å oppnå bedre forståelse av hvordan M. capsulatus påvirker DC funksjoner knyttet til tolerogene og immunogene DC responser. Her gjorde vi en fullgenom transkripsjonsanalyser av MoDC som var stimulert med M. capsulatus Bath eller etablerte probiotiske bakterier. Resultatene fra denne studien bekrefter at M. capsulatus Bath modulerer MoDC genuttrykk og induserer en tilstand av MoDC modning, cytokin- og kjemokin- produksjon intermediær mellom de to probiotiske bakteriene. Resultatene viste også at M. capsulatus øker MoDC uttrykk av gener for immunsuppressive/immunregulatoriske cytokiner, øker uttrykket av genet for galectin-10, et lektin viktig for suppressive egenskaper ved regulatoriske T celler og eosinofiler, og reduserer uttrykket av genet for CD70 et lovende terapeutisk mål for behandling av kronisk inflammatorisk tarmsykdom. Work was funded by a PhD fellowship provided by the Østfold Hospital Trust.