The Powerhouse of Immunity : Mitochondrial metabolism in innate immune responses

Abstract

Yksilön puolustuskykyyn vaikuttavat monet tekijät, kuten esimerkiksi ympäristömyrkyt ja mikro-organismit, yksilön ikä, sukupuoli ja geneettinen vaihtelu. Vaikka monien tekijöiden vaikutuksia immuunivasteisiin on tutkittu paljon, osaa näistä tekijöistä, kuten esimerkiksi mitokondrioiden toiminta ja metabolia, ei edelleenkään täysin ymmärretä. Mitokondriot ovat soluelimiä, joilla on tärkeitä tehtäviä monissa soluprosesseissa, kuten ATP:n tuotannossa oksidatiivisen fosforylaation (OXPHOS) avulla, solukuoleman eli apoptoosin käynnistämisessä ja immuunivasteiden säätelyssä. Mitokondrioiden toimintaan voivat vaikuttaa luonnollinen geneettinen vaihtelu sekä tuman että mitokondrioiden genomissa, tauteja aiheuttavat mutaatiot ja solustressi. On havaittu, että lievällä mitokondriostressillä on jopa positiivisia vaikutuksia eri ilmiöihin, muun muassa immuunivasteisiin. Väitöstutkimukseni tavoitteena oli tutkia mitokondrioiden genomin (mtDNA:n) vaihtelun ja lievän mitokondrion toiminnan häiriön vaikutuksia synnynnäisiin immuunivasteisiin sekä eri patogeenien vaikutusta mitokondrioihin banaanikärpäsmallia hyödyntäen.

Meidän tuloksemme näyttävät, että OXPHOS-kompleksien geenien hiljentäminen kärpäsen immuunikudoksissa vaikuttaa puolustusjärjestelmän aktivaatioon ja immuunivasteisiin kudoskohtaisesti. Kärpäsen immuunisoluissa OXPHOS:n hiljentäminen aiheuttaa lievää mitokondriostressiä, aktivoi immuunijärjestelmän ja on hyödyllistä loispistiäisinfektiossa. Transkriptomianalyysien perusteella tämä käsittely käynnistää mitokondriaalisen stressivasteen (mitochondrial unfolded protein response, UPR^mt), johon todennäköisesti liittyy immuuniaktivaatio. Toisaalta kärpäsen toisen immuunikudokseen, sekä rasva- että maksakudosta toiminnallisesti muistuttavaan fat body-kudokseen kohdistuva OXPHOS:n häiriö on vakavampi, huonontaa immuunivasteita ja on kärpäselle letaali. Tuloksemme osoittavat, että mitokondrioiden rooli immuunivasteissa on kudosspesifinen. Tutkimme myös mitokondriogenomin variaation vaikutusta immuunipuolustukseen, ja löysimme erään mitokondriogenomin variantin mtKSA2, joka suojaa kärpäsiä erilaisissa infektioissa. Tämä mtDNA-variantti myös lisää OXPHOS:n geenien ekspressiota ilman infektiota, joka mahdollisesti on osa tämän ilmiön mekanismia. Tietyt patogeenit, kuten Drosophila C virus ja <i>Listeria monocytogenes</i>, estävät mitokondrioiden toimintaa infektion aikana, lähinnä vähentämällä OXPHOS:n ja sitruunahappokierron geenien ekspressiota. Näissä infektioissa mtKSA2 kärpäset eivät pärjää muita kärpäslinjoja paremmin, joka osoittaa, että havaitsemamme positiiviset vaikutukset eri infektiomalleissa johtuvat mitokondrioiden metaboliasta. Lisäksi havaitsimme, että banaanikärpästutkimuksessa laajasti käytetyn w¹¹¹⁸- kärpäslinjan yksilöt ovat erittäin herkkiä bakteeri-infektioille. Metabolomiikka- analyysin mukaan w¹¹¹⁸-kärpäsillä on häiriöitä tryptofaanin metaboliassa ja kynureniini-reitissä, mikä todennäköisesti alentaa nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi (NAD⁺) -koentsyymin tasoja elimistössä. NAD⁺:n esiasteena toimivan nikotiiniamidin lisääminen kärpäsruokaan paransi hieman w¹¹¹⁸-kärpästen selviytymistä infektiosta, osoittaen, että NAD⁺-tasoilla on vaikutusta kärpäsen immuunijärjestelmään. Lisäksi havaitsimme, että mtKSA2-kärpäsillä on korkeat trigonelliinitasot. Tämä metaboliitti on hiljattain yhdistetty mitokondrion toiminnan parantamiseen ja NAD⁺-tasojen lisäämiseen. Nämä tulokset tukevat käsitystä, että NAD⁺-tasoilla on vaikutusta immuunivasteisiin.

Yhteenvetona, väitöskirjani tulokset valaisevat erilaisia mitokondrioiden ja synnynnäisen immuunijärjestelmän vuorovaikutuksia. Nämä tulokset lisäävät ymmärrystä mitokondrioiden toiminnan kudoskohtaisista eroista, geneettisen vaihtelun vaikutuksesta puolustuskykyyn sekä patogeenien vaikutuksesta mitokondrioiden toimintaan. Tämä parantaa käsitystä yksilöiden immuunivasteiden vaihtelusta sekä auttaa kehittämään parempia infektiotautien hoitokeinoja.

Immune responses of an individual can be affected by a variety of factors, both environmental, such as exposure to toxins or environmental microbes, and intrinsic, such as age, sex, or genetic variation. While some of these factors are extensively studied, many remain poorly understood due to the complexity of the interactions with the immune system. One such factor is mitochondrial metabolism. Mitochondria are cellular organelles involved in all important cellular processes, from ATP production via oxidative phosphorylation (OXPHOS) to programmed cell death and modulate immune responses in many complex ways. Mitochondrial function can be altered by the genetic variation in either nuclear or mitochondrial genome, as well as mutations that lead to mitochondrial dysfunction and disease. Moreover, in some cases, very mild mitochondrial stress can provide beneficial effects for the organism. In this thesis, I aimed to study the role of mitochondrial genome (mtDNA) variation and mild mitochondrial dysfunction in immune responses, as well as pathogen-specific mitochondrial responses, using the fruit fly <i>Drosophila melanogaster </i> model.

Our results show that silencing OXPHOS genes in larval hemocytes, the immune cells of <i>Drosophila</i>, causes mild mitochondrial dysfunction, which then leads to activation of the immune system and hemocyte proliferation in absence of immune challenge. In parasitoid wasp infection, mitochondrial dysfunction in hemocytes improves parasitoid killing. According to our RNA sequencing data, this immune activation is likely a result of the mitochondrial unfolded protein response, which is a stress response triggered by the disruption of mitochondrial function. At the same time, mitochondrial dysfunction in the fat body, the fly organ important for humoral immunity, is detrimental to the animals and worsens the immune responses to parasitoids. This finding highlights the tissue-specificity of mitochondrial immunometabolism. We also studied the role of natural mtDNA variation and found a specific mitochondrial genome variant, mtKSA2, which leads to immune activation in absence of infection in adult flies and improves survival across several infection models. This mtDNA variant also led to higher expression of OXPHOS protein subunits prior to infection, indicating more active mitochondrial metabolism. Interestingly, mtKSA2 flies do not perform better when infected with pathogens that target mitochondria, such as Drosophila C virus or <i>Listeria monocytogenes</i>. Based on RNA sequencing data, these pathogens directly suppress key mitochondrial metabolic pathways, such as OXPHOS and tricarboxylic acid (TCA) cycle, which suggests that the improved immune responses of mtKSA2 flies come from mitochondria. We also observed the effect of nuclear genome on survival: w¹¹¹⁸ flies showed increased susceptibility to bacterial infections. The metabolomic analyses we performed showed that w¹¹¹⁸ flies have impaired tryptophan metabolism via the kynurenine pathway, which likely impairs NAD+ biosynthesis in these animals. Supplementation with dietary nicotinamide, an NAD+ precursor, improved the survival of w¹¹¹⁸ flies. This data suggests an important role for NAD⁺ de novo synthesis in <i>Drosophila</i> immunity. Finally, we saw elevated levels of trigonelline, a metabolite with recently established role in NAD⁺ metabolism and positive effects on mitochondrial function, in mtKSA2 flies, further supporting the notion that NAD⁺ pools play a crucial role in immune responses.

Taken together, the results of my thesis show the various connections between mitochondria and innate immunity, highlighting the tissue specificity of mitochondrial metabolism, as well as the pathogen-specific effects on mitochondria and the contributions of the nuclear genome mutations to immune response variation. This knowledge is important for improving our understanding of the reasons why individuals respond to infections in different ways and developing better treatment for infectious diseases.