Swine inmune response to Salmonella enterica serovar typhimurium. A functional genomics approach

Abstract

Genetic improvement of the resistance to infectious diseases represents an essential step for the development of sustainable and economically viable animal production systems. Control of salmonellosis in swine herds generates increased production costs and public health issues due to the risk of dispersal of antibiotic resistant strains. Therefore, the breeding of resistant animals, in combination with good hygiene practices offers a promising strategy to fight against Salmonella in pigs. Recently, functional genomics approaches combining the power of gene mapping technologies, gene expression studies and modern bioinformatics tools have begun to contribute to a better understanding of the host response to microbial diseases. In light of this, this thesis aimed to identify and describe the molecular pathways and interactions involved in the porcine intestinal immune response to Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium). The first, second and third studies that constitute this thesis aimed to explore the molecular mechanisms occurring in porcine mesenteric lymph-nodes (MLN) at 1, 2 and 6 days post-infection (dpi) with S. Typhimurium. Firstly, the differential expression of immune-related genes was analysed in correlation with changes in tissue morphology and pathogen burden. Results revealed that infection resulted in a substantial infiltration of phagocytes and up-regulation of pro-inflammatory genes. Of note, host defence mechanisms led to a relevant reduction of S. Typhimurium load in tissue, but pathogen was found to maintain itself in MLN at 6 dpi. Subsequently, DIGE-based proteomics was carried out, uncovering that infection caused changes in abundance of proteins involved in diverse host cellular functions, leading to the induction of processes such as phagocyte infiltration, cytoskeleton remodelling, pyroptosis and antigen presentation in infected MLN. Finally, host response to infection was accessed by microarrays analysis and then complemented with gene expression data from pathogen found in tissue. The conjunctive analysis of both parties involved in infection revealed that although S. Typhimurium was able to express virulence factors in porcine MLN, host succeeded in counteracting pathogen strategies by modulating infected cell death and inducing an early cytotoxic response. The forth and fifth studies reported in this thesis were focused on the role of porcine Peyer’s Patches (PP) upon S. Typhimurium infection. Initially, laser microdissection coupled to qPCR technology uncovered that both innate and adaptive immunity mechanisms are effectively triggered in PP follicles during infection. Afterwards, microarray analysis was carried out to better-explain results from this preliminary approach. It could be confirmed that the bacterial challenge provoked a remarkable inflammatory response and the establishment of multiple...

La mejora de la resistencia genética a las enfermedades infecciosas representa una etapa fundamental para el desarrollo de sistemas de producción animal económicamente viables y sostenibles. El control de la salmonelosis porcina genera elevados costes de producción y supone un riesgo para la salud pública por la posibilidad de desarrollo y dispersión de cepas resistentes a antibióticos. Por lo tanto, la cría de animales resistentes, asociada a buenas prácticas de higiene durante la producción, representa una estrategia prometedora para la lucha contra infecciones por Salmonella en cerdos. Recientemente, la genómica funcional, al combinar la potencia de las tecnologías de mapeo genético, los estudios de expresión génica y las modernas herramientas bioinformáticas empieza a contribuir a una mejor comprensión de la respuesta del hospedador a las infecciones microbianas. Debido a esto, en esta tesis doctoral se planteó como objetivo identificar y describir las rutas e interacciones moleculares involucradas en la respuesta a la infección con Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium) en la especie porcina. Los tres primeros estudios que componen esta tesis doctoral tuvieron como objetivos explorar los mecanismos moleculares que ocurren en los nódulos linfáticos mesentéricos (NLM) porcinos tras 1, 2 y 6 días post-infección (dpi) con S. Typhimurium. Inicialmente, la expresión diferencial de genes relacionados con la respuesta inmunitaria fue analizada y correlacionada con cambios en la morfología tisular y carga de patógeno. Los resultados revelaron que la infección resultó en una abundante infiltración de fagocitos y sobre-expresión de genes pro-inflamatorios. Notablemente, una significativa reducción de la presencia de la bacteria en el tejido fue observada, en asociación con la activación de los mecanismos de defensa del hospedador. A pesar de ello, el patógeno logró mantenerse en los NLM, siendo detectado a los 6 dpi. A continuación, un análisis proteómico mediante DIGE fue llevado a cabo, poniendo de manifiesto que la infección resultó en cambios en la abundancia de proteínas involucradas en distintas funciones celulares del hospedador, promoviendo en los NLM infectados la inducción de procesos como la infiltración de fagocitos, remodelación del citoesqueleto, piroptosis y presentación antigénica. Finalmente, la respuesta del hospedador a la infección fue evaluada mediante análisis de micromatrices y los resultados obtenidos fueron complementados con datos de expresión génica procedentes del patógeno presente en tejido. En conjunto, el estudio reveló que, aunque S. Typhimurium expresa factores de virulencia en NLM porcinos, el hospedador contrarresta de forma efectiva las estrategias de virulencia del patógeno, mediante la modulación de la muerte celular de células infectadas y la inducción de una respuesta citotóxica temprana...