Genetic and molecular determinants of susceptibility to aspergillosis

Abstract

As infeções fúngicas afetam milhões de pessoas, representando uma problemática para a saúde pública global. Apesar dos progressos nas estratégias de diagnóstico e terapia, o controlo da progressão de infeções fúngicas graves permanece um desafio, sendo necessário elucidar os mecanismos moleculares que influenciam o risco e a progressão da infeção fúngica. Recentemente, a reprogramação do metabolismo celular foi identificada como um mecanismo central para suportar a ativação das funções efectoras das células do sistema imunitário no decorrer da resposta à infeção. Portanto, identificar e caraterizar os mecanismos metabólicos e moleculares que sustentam o sucesso do controlo da infeção por Aspergillus fumigatus é imperativo. Nesta tese de doutoramento, é demonstrado um novo papel do metabolismo da glutamina na ativação de funções efetoras de macrófagos em resposta à infeção por A. fumigatus. A depleção de glutamina ou a inibição farmacológica de enzimas envolvidas no seu metabolismo influencia significativamente a sua capacidade fagocítica e a produção de citocinas pró inflamatórias e derivadas de células T. Este papel foi confirmado através de um modelo de aspergilose in vivo, onde a inibição da glutaminase aumentou a suscetibilidade à infeção. Mais importante, identificámos variantes em genes do metabolismo da glutamina que regulam a produção de citocinas em resposta a A. fumigatus. Além disso, nesta tese de doutoramento, decidimos também dissecar a regulação do metabolismo celular por moléculas do sistema imunitário. A pentraxina longa PTX3 tem um papel essencial na resposta imunitária contra A. fumigatus. De facto, não só ratinhos deficientes em PTX3 mostram uma maior suscetibilidade à aspergilose, mas também variantes genéticas humanas que afetam a expressão de PTX3 foram já associadas a um risco aumentado de aspergilose pulmonar invasiva. Os nossos dados revelam que a PTX3 é necessária para uma adequada capacidade fungicida dos macrófagos ao permitir a ativação do metabolismo da glucose em detrimento da ativação da via das pentoses fosfato. Além disso, a enzima sedoheptulose cinase, bem como do seu produto, a sedoheptulose-7-fosfato, foram identificados como reguladores essenciais do fluxo glicolítico, sendo que a inibição desta enzima restaura o anormal fluxo glicolítico, bem como a capacidade fungicida de macrófagos na ausência de PTX3. Em suma, os nossos resultados demonstram a importância da interligação entre os mecanismos imunológicos e metabólicos para a resposta de macrófagos na resposta a A. fumigatus.

Fungal infections affect millions of people, representing a problem for global public health. Despite advances in diagnostic and therapeutic strategies to control the progression of serious fungal infections, their management remains challenging. It is thus necessary to elucidate the precise mechanisms that influence the risk, progression, and outcome of fungal infection. Recently, the reprogramming of cellular metabolism has emerged as a central mechanism to support the activation and effector functions of immune cells during immune responses to fungal infection. Therefore, understanding the crosstalk between metabolic and molecular determinants that underpin the successful control of Aspergillus fumigatus is imperative. This doctoral thesis demonstrates a novel role for glutamine metabolism in the activation of macrophage effector functions in response to A. fumigatus infection. Glutamine depletion or pharmacological inhibition of enzymes involved in its metabolism significantly impacted its phagocytic capacity and the production of pro-inflammatory and T cell-derived cytokines. This was confirmed in an in vivo model of aspergillosis, in which inhibition of glutaminase increased the susceptibility to infection. Most importantly, we identified genetic variations in glutamine metabolism genes to regulate cytokine production in response to A. fumigatus stimulation. Furthermore, in this doctoral thesis, we also decided to understand whether cellular metabolism could also be regulated by selected molecules of the immune system. The long pentraxin PTX3 has a non-redundant role in the immune response against A. fumigatus. Indeed, PTX3 knock-out mice display increased susceptibility to aspergillosis, but also in humans, genetic variants that compromise PTX3 expression have been consistently found to increase the risk of invasive pulmonary aspergillosis. Our data reveal that PTX3 is critically required for an adequate fungicidal capacity of macrophages by balancing the metabolic flux between glycolysis and the pentose phosphate pathway. In addition, we identified the sedoheptulose kinase enzyme and the product of its reaction, sedoheptulose 7-phosphate, as critical regulators of this balance. In this regard, the blockade of this enzyme rescues both the metabolic dysregulation as well as the functional defects observed in conditions of PTX3 deficiency. In summary, our results demonstrate the importance of the crosstalk between immunological and metabolic mechanisms for macrophage responses to A. fumigatus infection.