Impact of Mycobacterium tuberculosis exosomes

Tuberkulose (TB) er en av de 10 mest dødelige sykdommene på verdensbasis. Tuberkulosebakterien finnes hos circa 1/3 av jordens befolkning, og 9 millioner nye TB-tilfeller påvises årlig. Den pågående epidemien blir forverret av antibiotika-resistente varianter av bakterien Mycobacterium tuberculosis (Mtb), som er årsaken til sykdommen. For å takle dette økende problemet, utforsker vi de molekylære mekanismene for hvordan Mtb kommuniserer, overlever intracellulært og gir sykdom. Ekstracellulære vesikler (EV) er små celle-deriverte membran-bobler som frigjøres fra de fleste eukaryote (eksosomer) og prokaryote (membran-vesikler, MV) celler til deres ekstracellulære miljø. EV har nylig fått økende oppmerksomhet på grunn av sine potensielle roller i celle-til-celle-kommunikasjon og sykdomsutvikling, antigen-/vaksine-presentasjon og genterapi, med implikasjoner for mange sykdommer inkludert TB. Hovedmålet for ExoTB-prosjektet har vært å karakterisere prokaryote membranevesikler (MV) og eukaryote eksosomer i TB. Derfor samlet vi klinisk materiale og mykobakteriestammer fra TB-pasienter og karakteriserte MV fra Mtb cells and exosomes from TB patients. For å forstå hvordan MV slipper ut fra den tykke veggen til mykobakteriene, karakteriserte vi Mtb- og plasma-proteomet. Analysen av eksosomer, hele Mtb celler og renset MV ved massespektrometri (MS) identifiserte de funksjonelle kategoriene til proteinene involvert i EV. MS-funnen viste at Mtb MV inneholder virulensfaktorer, regulatoriske to-komponentsystemer, ABC-transportører, aminosyrer and komponenter involvert i fettmetabolisme. Vi oppdaget også nøkkelsignaturer som utgjøres av ulike post-translasjonelle modifikasjoner i MV versus hele celler. Oppdagelse av små regulatoriske RNAer i Mtb-vesikler: For å forstå de regulatoriske mekanismene som Mtb bruker for å sikre stabilitet av sitt genetiske materiale (DNA) og samtidig kommunisere, har vi analysert forandringene som skjer på RNA nivå. I ExoTB-prosjektet har vi oppdaget flere nye små ikke-kodende RNAer (ncRNA) som finnes i EV. Nå følges disse funnene opp videre ved å definere virkningsmekanismene for hvert ncRNA og deres interaksjoner med mål-mRNA for å forstå deres regulatoriske nettverk. Mikrobe-vertsinteraksjoner i TB formidlet av vesikler: EV kan bidra til kommunikasjon mellom celler og kan anses som et uttrykk for hvordan cellen har det. De kan også bidra til bakteriers sykdomsfremkallende evne. Et hovedmål for ExoTB er å karakterisere prokaryote MV og eukaryote EV, med hypotesen om at de bidrar til intercellulær kommunikasjon blant Mtb-celler og vertsceller ved TB. Proteomet i Mtb celler og MV fra den langsomtvoksende lineage 7 har for eksempel gitt helt ny innsikt i hvorfor denne Mtb-typen overlever så godt. Disse studiene er av grunnleggende betydning for å definere differensielt uttrykte protein-profiler med hovedvekt på karakteristika og antigenisitet av MV versus Mtb helcellelysater. Videre har vi utforsket den potensiell betydning av Mtb MV i utvikling av antibiotikaresistens og av TB eksosomer fra pasienter for bruk som potensielle biomarkører, vaksiner og administrering av medikamenter. EV i hjernehinnebetennelse forårsaket av TB: En rekke avanserte molekylære metoder er blitt brukt på pasientmaterialer fra TB-pasienter og på bakteriekulturer for å definere den fysiologiske rollen til fettperlene og deres potensiale i diagnostikk og behandling. Vi har fokusert mest på vesikler som frigjøres fra Mtb og fra menneskets støtteceller i hjernen (gliaceller). Vi har derved tester derved hypotesen om at vesikler utskilt fra Mtb-bakterier og gliaceller har klare funksjoner og kan interagere for eksempel ved hjernehinnebetennelse. Kapasitetsbygging: ExoTB-prosjektet er et tverrfaglig samarbeid som binder sammen forskere fra ulike og komplementære fagfelt i en felles innsats for å forstå betydningen av eksosomer og MVer ved TB. Vår gruppe har også hatt opplæring i avansert TB diagnostikk, molekylær teknologi og bioinformatikk for representanter fra Etiopia, Sudan og Sør-Sudan i Bahir-Dar og i Addis Ababa, Etiopia. De kliniske og molekylære studiene og avansert forskerutdanning, opptrening og kompetansebygging utført i ExoTB-prosjektet har resultert i teknologioverføring mellom industrielle og lavinntekts-land, her eksemplifisert ved utveksling mellom Norge og Etiopia, med gjensidig utbytte, noe som er høyst relevant for GLOBVAC-programmet.

Tuberculosis (TB) is a major public health concern, and 9 million TB cases are diagnosed annually on a worldwide basis. Extracellular vesicles (EV) are small cell-derived membrane vesicles approximately 100 nm in size released from most eukaryotic (exosom es) and prokaryotic (membrane vesicles, MVs) cells into their extracellular environment. EVs have recently attracted interest because of their potential function in cell-to-cell communication, virulence and small RNA delivery, with implications in several diseases, in addition to their extensive use as bacterial vaccines and biomarker potential. The ExoTB project is a multidisciplinary endeavour that will employ functional and comparative genomics, lipidomics, transcriptomics and biochemical approaches, a s well as cellular and mouse model systems, to analyse the global meningeal glial responses in health and TB disease including meningitis. The main goal of this project is to characterize bacterial and eukaryotic EVs, MVs and exosomes, respectively, w ith the hypothesis that they contribute to intercellular communication among Mycobacterium tuberculosis (Mtb) cells and glial astrocytes in the brain. Therefore, we will examine the interaction between astrocytes, the most abundant glial cells in the brai n, and Mtb, through the exosome and MV structures which they form. Next-generation imaging and molecular techniques will be developed and applied, focusing on the role of astrocytes in their responses to TB meningitis. The nature and role of exosomes in g lial cells and MVs in Mtb will be determined. Finally, the potential relevance of MVs and exosomes for biomarker discovery, vaccine design and drug delivery will be explored, highly relevant for the GLOBVAC call.