Aspectos da virulência e da relação entre Mycoplasma hyopneumoniae e seu hospedeiro

Abstract

O trato respiratório suíno é habitado por diversas espécies bacterianas. Dentre essas, os micoplasmas atraem particular interesse. São três as principais espécies de Mycoplasma encontradas nesse ambiente: Mycoplasma hyopneumoniae, agente da pneumonia enzoótica suína, Mycoplasma hyorhinis, associado ao complexo de pneumonias suínas e causador de artrites, e Mycoplasma flocculare, considerada uma espécie comensal. A reconstrução das vias metabólicas dessas espécies identificou diferenças que podem estar relacionadas aos diferentes níveis de patogenicidade entre elas. Um aspecto interessante está relacionado ao metabolismo de glicerol e à consequente produção de peróxido de hidrogênio nas espécies patogênicas. Outra diferença importante é uma via para a captação e metabolismo de mio-inositol presente somente em M. hyopneumoniae. Enquanto todas as linhagens de M. hyopneumoniae foram capazes de captar mio-inositol do meio de cultura e permanecer viáveis após o cultivo com esse carboidrato como fonte primária de energia, a produção de peróxido de hidrogênio só foi detectada nas linhagens patogênicas dessa espécie em condições padrão de cultivo. Esses dois aspectos metabólicos de M. hyopneumoniae (produção de peróxido de hidrogênio e catabolismo de mio-inositol) podem estar diretamente relacionados a sua virulência aumentada em relação a M. hyorhinis e M. flocculare. Dessa forma, torna-se interessante estudar a interação de M. hyopneumoniae com o hospedeiro suíno. Assim, foi realizada a análise de expressão diferencial de genes e miRNAs de uma linhagem de células epiteliais suínas (NPTr) infectada por M. hyopneumoniae para identificar as alterações que a infecção causa na expressão gênica das células hospedeiras. Também foi analisada a expressão diferencial de miRNAs do meio extracelular e de exossomos liberados das células infectadas. A infecção levou à alteração da expressão de 1.283 genes e 170 miRNAs (p < 0,05). Diversos genes relacionados à atividade de oxidação-redução apresentaram aumento de expressão durante a infecção, em sua maioria regulados pelo fator de transcrição NRF2. NRF2 regula a expressão de genes citoprotetores em resposta ao estresse oxidativo. A produção de peróxido de hidrogênio por M. hyopneumoniae durante a infecção pode ter levado à ativação desse fator de transcrição, resultando no aumento da expressão de diversos genes com função antioxidante. Além disso, ocorreu a redução da expressão de miRNAs que regulam genes antioxidantes, de forma que parece haver uma alteração global na expressão gênica para ativar essa função durante a infecção. Genes relacionados aos cílios, ao citoesqueleto e à divisão celular apresentaram redução de expressão durante a infecção. O citoesqueleto e o ciclo celular são impactados por diversos patógenos e a infecção por M. hyopneumoniae pode estar relacionada a esses aspectos. Quanto aos cílios, houve a redução da expressão de genes que codificam proteínas responsáveis pelo movimento ciliar, o que pode estar relacionado com a ciliostase induzida por M. hyopneumoniae. A maior parte dos miRNAs diferencialmente expressos identificados está nas amostras extracelulares e de exossomos, reforçando o papel dessas vesículas na comunicação celular. Devido à participação dos exossomos durante a infecção, testamos seu efeito sobre M. hyopneumoniae em cultura. No entanto, os resultados indicam que não ocorreu interação das vesículas com os micoplasmas e que os exossomos não alteraram o crescimento bacteriano.

Several bacterial species inhabit the swine respiratory tract. Among these, mycoplasmas attract particular interest. Three Mycoplasma species are important in this environment: Mycoplasma hyopneumoniae, agent of swine enzootic pneumonia, Mycoplasma hyorhinis, which is associated with pneumonia and causes arthritis, and Mycoplasma flocculare, considered a commensal species. The reconstruction of metabolic models of these species identified differences that might explain their different levels of pathogenicity. One important trait is related to glycerol metabolism and consequent hydrogen peroxide production in the pathogenic species. Another important feature is a pathway for uptake and metabolism of myo-inositol found only in M. hyopneumoniae. While all strains of M. hyopneumoniae were able to uptake myo-inositol from the culture medium and remain viable when this carbohydrate was the primary energy source, the hydrogen peroxide production was detected only in the pathogenic strains of M. hyopneumoniae in rich medium. These two metabolic features of M. hyopneumoniae (hydrogen peroxide production and myo-inositol catabolism) might be directly related to its enhanced virulence compared to M. hyorhinis and M. flocculare. In this way, it is interesting to study the relation between M. hyopneumoniae and the swine host. Therefore, we analyzed the differential expression of genes and miRNAs of an epithelial porcine cell line (NPTr) infected with M. hyopneumoniae to identify the changes that the infection caused in gene expression of host cells. We also analyzed the differential expression of miRNAs of the extracellular medium and of exosomes released from infected cells. The infection induced the differential expression of 1,283 genes and 170 miRNAs (p < 0.05). Several genes related to oxidation-reduction activity were up-regulated during infection; most of them are regulated by the transcription factor NRF2. NRF2 regulates the expression of cytoprotective genes in response to oxidative stress. Hydrogen peroxide production by M. hyopneumoniae during infection might have induced the activation of this transcription factor, resulting in increased expression of several antioxidant genes. In addition, we identified a dow-nregulation of miRNAs targeting antioxidant genes, so that it seems there is a global change in gene expression to activate this function during infection. Genes related to cilia, cytoskeleton and cell division were down-regulated during infection. The cytoskeleton and the cell cycle are affected by several pathogens and M. hyopneumoniae infection might be related to these aspects. Regarding the cilia, a number of genes that encode proteins responsible for the ciliary beating was down-regulated, which might be related to M. hyopneumoniae induced ciliostasis. Most of the miRNAs identified were differentially expressed in total extracellular and in exosome samples, reinforcing the role of these vesicles in cell communication. Due to the involvement of exosomes during infection, we tested their effect on M. hyopneumoniae in culture. However, we were not able to detect interactions between exosomes and mycoplasmas, and the vesicles did not affect bacterial growth.