Of yeast and men: Dissecting the interaction between fungi and immune response

Abstract

Il lavoro riportato in questa tesi si pone l’obiettivo di comprendere i meccanismi che governano l’interazione tra le cellule del sistema immunitario e i microrganismi, attraverso un approccio di Systems Biology. Questo lavoro combina infatti il tradizionale lavoro di laboratorio e l’analisi a livello trascrizionale, con metodi computazionali e bioinformatici, allo scopo di comprendere la risposta delle cellule dendritiche ai funghi, in particolare al lievito non patogeno Saccharomyces cerevisiae. Questo lavoro ha due obiettivi principali: in primo luogo, lo sviluppo di un approccio analitico in grado di facilitare l’interpretazione dei dati ottenuti da sistemi ad alte prestazioni (come i microarray o la proteomica) e aumentare la possibilità di confronto tra diversi esperimenti. Accanto ad esso è stato sviluppato un modello per rappresentare le reti di segnalazione indotte dalla risposta immunitaria, dal riconoscimento recettoriale all’attivazione cellulare. In secondo luogo, attraverso l'integrazione dei diversi risultati, è stata indagata la la capacità delle cellule dendritiche di discriminare tra microrganismi patogeni e non patogeni. Combinando l'analisi trascrizionale con esperimenti volti a comprendere il ruolo dei diversi recettori nel riconoscimento ai funghi, e la risposta immunitaria indotta dalle cellule dendritiche, abbiamo identificato meccanismi di risposta diversi a C. albicans e S. cerevisiae. Abbiamo inoltre osservato come l'interazione tra spore e lieviti sia cruciale per il commensalismo di S. cerevisiae. L'integrazione di un approccio di System Biology a dati funzionali offre nuovi strumenti per comprendere i meccanismi di virulenza associati ai funghi: non solo il dimorfismo ma anche l’utilizzo di diversi recettori sulla superficie delle cellule dendritiche possono mediare la presentazione dell'antigene, condizionare la tipologia della risposta adattative e, in ultima analisi, favorire il commensalismo o l’infezione.

The research presented here aimed at using a Systems Biology approach to understand the mechanism governing a fruitful interaction between microbes and the human system. Systems Biology requires the acquisition of information on the different levels of regulation of a biological system and its integration in the development of models, that could predict the outcome of stimuli and changes in variables controlling the dynamic nature of the system. This work combined traditional wet-lab work and genome wide analyses of transcription and gene regulation, with computational and bioinformatic methods to dissect the response of dendritic cells to fungi, in particular to the harmless Saccharomyces cerevisiae. This work had two main goals: first, the implementation of an analytical approach that would facilitate the interpretation of the ‘-omics’ results and increase the comparability between different data sets, lessening the problems associated with the use of different types of data and array platforms; and the development of new pathway structure to allow temporal dissection of the immune response associated to the pattern recognition receptor sensing; secondly, by integration of different results, to investigate the immune response that discriminates between friends or foes. Combining transcriptional analysis with receptor-specific blocking and cytokine production assays, we determined that DCs respond differently to C. albicans and S. cerevisiae and in the latter case, the interplay between spores and yeasts is crucial for the commensalism of S. cerevisiae. The integration of a System Biology approach to functional data offers new interpretive clues to the mechanisms of fungal virulence: rather than dimorphism per se, the engagement of different recognition receptors on DCs might select the mode of fungal internalization and antigen presentation, condition the nature of the T-helper response and, ultimately, favor saprophytism or infection.