The effect of the bacterial amyloid CsgA on enteroendocrine cell function and crosstalk with macrophages and enteric neurons: implications for Parkinson’s disease

Abstract

Zunehmende Hinweise deuten darauf hin, dass sich die Parkinson-Krankheit (PD) im Darm durch gastrointestinale Funktionsstörungen, eine Aggregation von α-SYN und Entzündungen manifestiert, die die Pathologie auf das zentrale Nervensystem übertragen. Insbesondere die bei PD-Patienten beobachtete veränderte Zusammensetzung der Darmmikrobiota ist ein aktives Forschungsgebiet, in dem deren Kausalität bei der Krankheitsentstehung untersucht wird. Während das funktionelle bakterielle Amyloid CsgA die PD-Pathologie in Tiermodellen beschleunigt, sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen und die Relevanz für den menschlichen Darm bislang unbekannt. Wir stellten die Hypothese auf, dass CsgA von enteroendokrinen Zellen aufgenommen wird – also von Darmhormone freisetzenden Zellen, die als Sensoren zwischen dem Lumen und dem Wirt fungieren – und deren Funktion stört, wodurch eine Prädisposition für PD entsteht. Wir stellten die Hypothese auf, dass CsgA von enteroendokrinen Zellen aufgenommen wird, also von Darmhormone freisetzenden Zellen, die als Sensoren zwischen dem Lumen und dem Wirt fungieren, und deren Funktion stört, wodurch eine Prädisposition für die Krankheitspathologie entsteht. Unter Verwendung von HuTu-80 Enteroendokrinen Zellen, die mit CsgA-WT, CsgA-R12343 (nicht-amyloidogene Kontrolle) und Curli (reife CsgA-Fasern) behandelt wurden, untersuchten wir die CsgA-Aufnahme, proteomische Veränderungen, die α-SYN-Proteostase sowie die interzelluläre Kommunikation mit gewebsresidenten Neuronen und Makrophagen. CsgA-WT und Curli wurden von HuTu-80 aufgenommen und zur Degradation in die Lysosomen transportiert, wie durch Western-Blot Analysen und Live-Cell-Imaging in Zellen gezeigt wurde, die mit den lysosomalen alkalisierenden Reagenzien Bafilomycin A1 und Chloroquin behandelt wurden. Trotz der durch die bakteriellen Amyloide verursachten Veränderungen in Anzahl und Größe der Lysosomen zeigten sich keine Auswirkungen auf die Autophagie-Marker P62 und LC3B. Eine umfassende Bewertung der Reaktionen enteroendokriner Zellen auf CsgA erfolgte mittels Proteomanalyse in Ganzzell- und lysosomenangereicherten HuTu-80-Lysaten. Nur CsgA-WT, nicht jedoch CsgA-R12343 oder Curli, induzierte Veränderungen der Proteinkonzentrationen in Ganzzellen und Lysosomen. Konkret löste CsgA-WT Veränderungen in verschiedenen zellulären Komponenten aus, darunter Mitochondrien, Proteasom, Chaperone, Komponenten des intrazellulären Transports und die Freisetzung extrazellulärer Vesikel (EV). Dennoch gab es keinen signifikanten Einfluss auf die mitochondriale Atmung, die Superoxidspiegel oder die Proteasomaktivität, was darauf hindeutet, dass CsgA-WT nicht ausreicht, um diese zellulären Funktionen zu stören. Stattdessen wurden die lysosomalen Transportkomponenten DYNC1I2 und LAMP2 parallel zur lysosomalen α-SYN Bindung herunterreguliert. Dies ging mit einer erhöhten α-SYN-Freisetzung im Überstand und in den EVs einher, was auf einen veränderten α-SYN-Transport hindeutet. Die erhöhten CD63 Spiegel in den EVs und die erhöhten RAB27A-Spiegel in den Gesamtzelllysaten bestätigten zudem, dass HuTu-80 über den EV-Signalweg auf das bakterielle Amyloid CsgA-WT reagiert. Die damit einhergehende Hochregulation der HLA-DR-Oberflächenpräsentation sowie die Freisetzung der Chemokine IL-8 und MIP-1α deuteten auf die immunmodulatorischen Eigenschaften von HuTu-80 hin, das CsgA-WT ausgesetzt war. Interessanterweise verringerten die EV von mit CsgA behandelten HuTu-80-Zellen die Freisetzung der proinflammatorischen Zytokine IL-1β, IL-6 und IL-23 in Makrophagen im Vergleich zu den EV der Kontrollgruppe aus HuTu-80-Zellen. Makrophagen, die EV aus CsgA-behandelten HuTu-80-Zellen ausgesetzt waren, zeigten jedoch auch nach Entfernung der EV aus dem Überstand eine anhaltende Freisetzung von IL-1β, IL-6, TNFα und IL-10. In diesem Zusammenhang reagierten diese Makrophagen nicht auf einen sekundären LPS-Reiz, was darauf hindeutet, dass CsgA eine anhaltende Aktivierung und einen immunsuppressiven Zustand in Makrophagen induziert. Die EVs aus CsgA-WT-behandelten HuTu-80 förderten die α-SYN-Seed-Bildung sowohl in aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnenen peripheren Neuronen als auch in Makrophagen, was die Rolle von EVs enteroendokriner Zellen in der α-SYN-Pathologie unterstreicht. Schließlich etablierten wir ein Mikrofluidik-Co-Kulturmodell aus EEC und peripheren Neuronen, das die Untersuchung der Auslösung und Ausbreitung der PD-Pathologie ermöglicht. Zusammenfassend liefern wir Belege für einen neuartigen Mechanismus, durch den CsgA die Proteostase enteroendokriner Zellen stört, um die Freisetzung von α-SYN auszulösen und eine anhaltende, jedoch erschöpfte Entzündungsreaktion zu fördern, die das langfristige Gleichgewicht der Mikrobiota und die intestinale Homöostase stören und so zu den frühen Stadien der PD-Pathologie beitragen könnte.

Burgeoning evidence suggests that Parkinson’s disease (PD) manifests in the gut with gastrointestinal dysfunction, α-SYN aggregation, and inflammation propagating the pathology to the central nervous system. Particularly, the altered gut microbiota composition observed in PD patients is an active area of investigation with respect to studying its causality in disease pathogenesis. While the functional bacterial amyloid CsgA accelerates PD pathology in animal models, the underlying molecular mechanisms and relevance to the human intestine remain unknown. We hypothesized that CsgA is uptaken by enteroendocrine cells, gut hormone releasing cells acting as sensors between the lumen and the host, perturbing their function to predispose to PD. Using HuTu-80 enteroendocrine cells treated with CsgA-WT, CsgA-R12343 (non-amyloidogenic control), and curli (mature CsgA fibers), we evaluated CsgA uptake, proteomics changes, α-SYN proteostasis, and intercellular communication with tissue-resident neurons and macrophages. CsgA-WT and curli were uptaken by HuTu-80 and targeted to the lysosomes for degradation as shown by Western blot and live-cell imaging in cells treated with lysosomal alkalizing reagents bafilomycin A1 and chloroquine. Despite the changes in lysosomal number and size by the bacterial amyloids, there was no effect on the autophagy markers P62 and LC3B. Comprehensive evaluation of enteroendocrine cell responses to CsgA was achieved by proteomics analysis in whole-cell and lysosome-enriched HuTu-80 lysates. Only CsgA-WT, but not CsgA-R12343 or curli, induced whole-cell and lysosome protein level alterations. Specifically, CsgA-WT evoked changes in various cellular components including mitochondria, proteasome, chaperones, intracellular trafficking components, and extracellular vesicle (EV) release. Nonetheless, there was no robust effect on mitochondrial respiration, superoxide levels or proteasome activity, suggesting that CsgA-WT a is not sufficient to perturb these cellular functions. Instead, the lysosomal trafficking components DYNC1I2 and LAMP2 were downregulated alongside lysosomal α-SYN targeting. This was accompanied by elevated α-SYN release in the supernatant and EVs, implying altered α-SYN trafficking. The increased CD63 levels in EVs, and RAB27A levels in whole-cell lysates, further corroborated that HuTu-80 respond to the bacterial amyloid CsgA-WT via the EV pathway. The accompanied upregulation of HLA-DR surface exposure and IL-8 and MIP-1α chemokine release, indicated the immune-modulatory properties of HuTu-80 exposed to CsgA-WT. Interestingly, EVs from CsgA-treated HuTu-80 decreased IL-1β, IL-6, and IL-23 pro-inflammatory cytokine release in macrophages compared to control HuTu80 EVs. However, macrophages exposed to EVs from CsgA-treated HuTu-80 displayed sustained IL-1β, IL-6, TNFα, and IL-10 release even after removal of the EVs from the supernatant. In the same line, these macrophages did not respond to a secondary LPS stimulus, suggesting CsgA induces a sustained activation and immunosuppressed state in macrophages. The EVs from CsgA-WT-treated HuTu-80 promoted α-SYN seed formation in both induced pluripotent stem cell-derived peripheral neurons and macrophages, highlighting the role of enteroendocrine cell EVs in α-SYN pathology. Finally, we established an EEC-peripheral neuron microfluidics co-culture model that permits investigation of PD pathology initiation and propagation. Conclusively, we provide evidence for a novel mechanism by which CsgA perturbs enteroendocrine cell proteostasis to trigger α-SYN release and promote a sustained yet exhausted inflammatory response which could disrupt long-term microbiota balance and intestinal homeostasis contributing to early stages of PD pathology.