Activation of formyl-peptide receptors by Staphylococcus aureus and consequences for inflammation

Abstract

Staphylococcus aureus is a major human pathogen causing a variety of diseases such as local skin infections, sepsis, and endocarditis. Phagocytes of the innate immune system are the first line of defense against invading pathogens. They express a variety of pattern recognition receptors (PRRs), which ensure the recognition of microbe-associated molecular patterns (MAMPs). One class of PRRs are the formyl-peptide receptors (FPRs). They belong to the family of seven-transmembrane G protein-coupled receptors (GPCRs), which are involved in host defense against bacterial infections and in the clearance of damaged host cells. Human neutrophils express two of the FPRs – the FPR1 and FPR2 – which exhibit a large overall amino acid sequence similarity. FPR1 generally recognizes short peptides initiated with N-formyl-methionine, which are cleavage products of bacterial and mitochondrial proteins. In contrast, FPR2 prefers longer peptides with α-helical, amphipathic properties. The most prominent bacterial FPR2 ligands are the phenol-soluble modulins (PSMs) of staphylococci. FPRs are well conserved among mammals and outside the mammalian clade, such as in fish. Since it has been shown that FPRs from different species often recognize distinct ligands, we investigated if the mouse FPR2 (mFpr2) could be activated by S. aureus PSMs as the human FPR2. By using a S. aureus peritonitis model we could show that early recruitment of leukocytes to the infection site is FPR2 and PSM-mediated. Furthermore, we observed that coactivation of both FPRs leads to a synergistic release of the chemokine interleukin (IL)-8 from neutrophils. Moreover, our data suggest a crucial role for the FPRs during phagocytosis and killing of S. aureus. Stimulation of FPRs by their cognate ligands significantly enhanced the engulfment of Gram-positive and Gram-negative bacteria. The increased phagocytosis is mediated by an enhanced expression of the complement receptors 1 and 3, as well as the FCγ receptor I. Interestingly, the consequence of the augmented phagocytosis is also a synergistic release of the chemokine IL-8 and a time- and ratio-dependent shift of bacterial killing. In vivo, although lack of mFpr2 and PSMs results in less phagocytosis of S. aureus, a better killing of PSM-releasing S. aureus could be observed in mFpr2-/- mice. Thus, the following study provides deep insights into the functional role of FPRs in phagocytes during S. aureus infection.

Staphylococcus aureus ist ein humanes Pathogen, welches eine Vielzahl von Krankheiten verursacht, wie zum Beispiel lokale Hautinfektionen, Sepsis und Endokarditis. Phagozyten des angeborenen Immunsystems stellen die erste Verteidigungslinie gegen eindringende Pathogene dar. Sie exprimieren eine Vielzahl von „Muster-Erkennungs-Rezeptoren“ (PRRs), welche die Erkennung von “mikrobiell-assoziierten molekularen Mustern“ (MAMPs) sicherstellen. Eine Klasse der PRRs sind die Formylpeptid-Rezeptoren (FPRs). Sie gehören zur Familie der sieben-transmembran G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs), welche an der Wirtsabwehr gegen bakterielle Infektionen und der Beseitigung von geschädigten Wirtszellen beteiligt sind. Humane neutrophile Granulozyten exprimieren zwei der FPRs – FPR1 und FPR2 – welche eine große Ähnlichkeit in der Aminosäuresequenz zeigen. FPR1 erkennt kurze Peptide, die mit einem N-Formyl-Methionin beginnen. Diese sind Spaltprodukte bakterieller und mitochondrialer Proteine. Im Gegensatz dazu bevorzugt der FPR2 längere Peptide mit α-helikalen, amphipathischen Eigenschaften. Die bekanntesten bakteriellen FPR2-Liganden sind die Phenol-löslichen Moduline (PSMs) der Staphylokokken. FPRs sind hoch konservierte Rezeptoren bei Säugetieren, aber auch außerhalb der Säugetiergruppe, wie zum Beispiel bei Fischen. Da allerdings bekannt ist, dass FPRs verschiedener Spezies oft unterschiedliche Liganden erkennen, war ein Ziel dieser Arbeit, herauszufinden, ob der FPR2 von Mäusen (mFpr2) im gleichen Maße durch PSMs von S. aureus aktiviert werden kann, wie der humane FPR2. Wir konnten in einem Peritonitismodell zeigen, dass für die frühe Rekrutierung von Leukozyten zum Infektionsort der FPR2 und die PSMs essentiell sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die simultane Stimulation beider FPRs auf neutrophilen Granulozyten zu einer synergistischen Freisetzung des Chemokins Interleukin (IL)-8 führt. In vitro Daten zeigen außerdem, dass die Stimulierung der FPRs durch bakterielle Liganden die Phagozytose von gram-positiven und gram-negativen Bakterien signifikant verstärkt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass diese verstärkte Aufnahme durch eine erhöhte Expression der Komplementrezeptoren 1 und 3, sowie des FCγ Rezeptors I vermittelt wird. Die Konsequenz der gesteigerten Phagozytose ist eine synergistische Freisetzung des Chemokins IL-8 und eine Zeit- und Verhältnis-abhängige Verschiebung des Abtötens der Bakterien. Obwohl das Fehlen von mFpr2 und PSMs in vivo in weniger Phagozytose von S. aureus resultierte, konnte ein besseres Abtöten von PSM-freisetzendem S. aureus in mFpr2-/- Mäusen beobachtet werden. Zusammenfassend, die folgende Studie liefert neue Aspekte der funktionalen Rolle der FPRs in Phagozyten während einer S. aureus Infektion.