Host genetics of resistance to Mycobacterium ulcerans infection: bridging clinical and cellular/animal models

Abstract

Buruli ulcer (BU) is the third most common mycobacteriosis affecting immunocompetent humans worldwide. It is caused by Mycobacterium ulcerans, which produces a dermonecrotic toxin, responsible for causing mutilating ulcerative skin lesions. However, not all people exposed to M. ulcerans develop BU and few among those that do, are actually able to recover from disease associated lesions, without the aid of any treatment. These and other findings suggest that there is a genetic component associated to the development of BU, which we sought to better understand in the present thesis. To such aim, we performed an expression profiling analysis of the Hartley Cavia porcellus and FVB/N Mus musculus animal models, known to mimic the aforementioned spontaneous healing phenotype exhibited by humans, and combined it with data from a recent Genome-Wide Association Study involving BU patients. We found that each species controls infection using previously underappreciated pathways, some of which are common to the three models. The obtained results fostered the pursuit for a clinical correlation over known targets of M. ulcerans infection. We thus expanded a national cohort of Beninese individuals from M. ulcerans-endemic areas to 309 BU cases and 309 age- and gender-matched controls, in order to carry out candidate gene association studies. We found a genetic variant in the intronic region of the BCL2L11 gene, rs13421194, to be associated with the odds of development of ulcerative forms of the disease, potentially due to differences in the transcription factors that are predicted to bind to the region. Finally, we present another genetic association between rs1800872 alleles in the IL10 promoter region and the odds of development of most severe BU presentations, WHO category III lesions. This association was accompanied by in vitro and in vivo functional studies using Il10 knockout and transgenic mice, demonstrating that high production of IL-10 is detrimental during the earlier stages of M. ulcerans infection. The present thesis therefore provides a valid framework to leverage future studies on the mechanisms of resistance to BU, opening novel and exciting horizons of research.

A úlcera de Buruli (UB) é a terceira micobacteriose mais comum em humanos imunocompetentes em todo o mundo. É causada pela Mycobacterium ulcerans, produtora de uma toxina dermonecrótica, responsável por causar lesões cutâneas ulcerativas mutilantes. Contudo, nem todas as pessoas expostas à M. ulcerans desenvolvem UB e algumas das que a desenvolvem conseguem recuperar das suas lesões sem auxílio de qualquer tratamento. Estes e outros achados sugerem que existe uma componente genética associada ao desenvolvimento da UB, o qual nos propusemos a explorar na presente tese. Para tal, analisámos o perfil de expressão genética dos modelos animais Hartley de Cavia porcellus e FVB/N de Mus musculus, capazes de mimetizar o fenótipo de cura espontânea supramencionado exibido pelos humanos, e combinámo-los com os dados de um estudo recente de associação do genoma em doentes com UB. Descobrimos que cada espécie controla a infeção utilizando vias previamente subapreciadas, algumas das quais comuns aos três modelos. Os resultados obtidos fomentaram a busca por uma correlação clínica sobre alvos conhecidos da infeção por M. ulcerans. Expandimos assim uma coorte de indivíduos beninenses provenientes de áreas endémicas de M. ulcerans para 309 casos de UB e 309 controlos emparelhados por idade e sexo, de forma a realizarmos estudos de associação de genes candidatos. Encontrámos uma variante genética na região intrónica do gene BCL2L11, rs13421194, que se associa à probabilidade de desenvolvimento de formas ulcerativas da doença, provavelmente devido a diferenças nos fatores de transcrição preditos de se ligarem à região. Por fim, apresentamos outra associação genética entre os alelos do rs1800872 na região promotora da IL-10 e a probabilidade de desenvolvimento das apresentações mais graves de UB, as lesões da categoria III da OMS. Esta associação foi acompanhada por estudos funcionais in vitro e in vivo com murganhos transgénicos e knockout para Il10, demonstrando que a alta produção de IL-10 é prejudicial durante as fases iniciais da infeção por M. ulcerans. A presente tese oferece, portanto, uma estrutura válida para alavancar estudos futuros sobre os mecanismos de resistência à UB, abrindo novos e entusiasmantes horizontes de investigação.