Cytokine profile in in vitro mouse macrophage culture infected with Bacillus anthracis spores with varying plasmid composition

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Bacillus anthracis, the causative agent of anthrax, is able to exist both in environmental conditions (soil) and in the macroorganism. The manifestation of pathogenic properties of B. anthracis strains is determined by relevant plasmid composition, because the main toxin and the capsule-related virulence factors are located in bacterial plasmid. Modeling anthrax infection in vitro in macrophage culture might reveal an influence of individual B. anthracis strain characteristics on infection and development of infectious process. The aim of this study was to analyze cytokine level during infection of in vitro macrophage cell cultures with spores of anthrax microbe strains bearing varying plasmid composition. The dependence of the macrophage cell cytokine profile on the plasmid composition of B. anthracis strains was revealed while modeling anthrax infection in vitro. The presence of the toxin-producing plasmid pXO1 in anthrax microbe strains has a powerful stimulating effect on the production of macrophages J774A cell line cytokines. B. anthracis strains lacking the pXO1 plasmid virtually stimulated no production of IL-1β, caused very low secretion of IL-1α, IL-6, MCP-1, MIP-1α, MIP-1β, IL-12 (p70) and active G-CSF products. The low cytokine response of macrophage cells infected with monoplasmid strains bearing only the capsule-forming plasmid was due not only to the absence of a binary toxin, but also to disturbed regulation of capsule production associated with the absence of the atxA gene. The capsule, along with lethal and edematous toxins, belongs to the main virulence factors of B. anthracis, but strains lacking the pXO1 virulence plasmid, had its production impaired, because the main regulator of capsule synthesis is the atxA gene localized on the pXO1 plasmid being positively regulated by the acpA and acpB genes, so that strains lacking the toxin-forming plasmid, even in the presence of the encapsulation plasmid, elicit a weak cytokine response in infected cells. Diplasmid strains of B. anthracis, due to produced main virulence factors — a two-component toxin and a capsule, enforce macrophages (in the experiment) to actively produce IL-1β, IL-6, MCP-1, G-CSF, MIP-1α; MIP-1β, IL-12 (p70). Strains with moderate virulence and capable of capsulation in air virtually did not differ from highly virulent strains in terms of their effect on in vitro macrophage culture.

About the authors

Elena A. Koteneva

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor; North Caucasus Federal University

Author for correspondence.
Email: postgenom_stv@mail.ru

PhD (Biology), Head of the Laboratory of Postgenomic Technologies, Associate Professor

Russian Federation, Stavropol; Stavropol

O. I. Tsygankova

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor

Email: postgenom@snipchi.ru

PhD, MD (Medicine), Bacteriologist

Russian Federation, Stavropol

V. Yu. Shcherbakova

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor

Email: sherbakova_vu@snipchi.ru

Junior Researcher

Russian Federation, Stavropol

A. V. Kalinin

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor

Email: kalinin_av@snipchi.ru

Biologist

Russian Federation, Stavropol

I. S. Rodionov

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor

Email: rodionov_is@snipchi.ru

Junior Researcher

Russian Federation, Stavropol

V. V. Serdyukov

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor

Email: serdukov_vv@snipchi.ru

Laboratory Assistant — Researcher

Russian Federation, Stavropol

A. V. Abramovich

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor

Email: abramovich_av@snipchi.ru

Junior Researcher

Russian Federation, Stavropol

A. N. Kulichenko

Stavropol Plague Control Research Institute of Rospotrebnadzor

Email: kulichenko_an@mail.ru

RAS Corresponding Member, PhD, MD (Medicine), Professor, Director

Russian Federation, Stavropol

References

  1. Лабораторная диагностика опасных инфекционных болезеней: практ. рук. / Под ред. Г.Г. Онищенко, В.В. Кутырева; изд. 2-е, перераб. и доп. М.: ЗАО «Шико», 2013. 560 с. [Laboratory diagnosis of dangerous infectious diseases. Practical guide / Eds.: G.G. Onishchenko, V.V. Kutyrev. 2nd ed., revised and expanded. Moscow: CJSC «Shiko», 2013. 560 p. (In Russ.)]
  2. Онищенко Г.Г., Васильев Н.Г., Литусов Н.В., Харечко А.Т., Васильев П.Г., Садовой Н.В., Кожухов В.В. Сибирская язва: актуальные аспекты микробиологии, эпидемиологии, клиники, диагностики, лечения и профилактики. М.: ВУНМЦ МЗ РФ, 1999. 448 с. [Onishchenko G.G., Vasil’ev N.T., Litusov N.V., Kharchenko A.T., Vasil’ev P.G., Sadovoi I.V., Kozhukhova V.V. Anthrax: actual aspects of microbiology, epidemiology, clinical features, diagnostics and prophylaxis. Moscow: VUNMTs MZ RF, 1999. 448 p. (In Russ.)]
  3. Цыганкова О.И., Еременко Е.И., Цыганкова Е.А., Буравцева Н.П., Рязанова А.Г Фенотипические и генетические особенности культурально-морфологических вариантов Bacillus аnthracis // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2008. № 4. С. 6–11. [Tsygankova O.I., Eremenko E.I., Tsygankova E.A., Buravtseva N.P., Ryazanova A.G. Phenotypic and genetic features of cultural and morphological variants of Bacillus anthracis. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii = Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology, 2008, no. 4, pp. 6–11. (In Russ.)]
  4. Chang H.H., Wang T.P., Chen P.K., Lin Y.Y., Liao C.H., Lin T.K., Chiang Y.W., Lin W.B., Chiang C.Y., Kau J.H., Huang H.H., Hsu H.L., Liao C.Y., Sun D.S. Erythropoiesis suppression is associated with anthrax lethal toxin-mediated pathogenic progression. PLoS One, 2013, vol. 8, no. 8: e71718. doi: 10.1371/journal.pone.0071718
  5. Drysdale M., Bourgogne A., Hilsenbeck S.G., Koechler T.M. AtxA controls Bacillus anthracis capsule synthesis via acpA and a newly discovered regylator acpB. J. Bacteriol., vol. 186, no. 2, pp. 307–315. doi: 10.1128/JB.186.2.307-315.2004
  6. Duesbery N.S., Webb C.P., Leppla S.H., Gordon V.M., Klimpel K.R., Copeland T.D., Ahn N.G., Oskarsson M.K., Fukasawa K., Paull K.D., Vande Woude G.F. Proteolytic inactivation of MAP-kinase-kinase by anthrax lethal factor. Science, 1998, vol. 280, no. 5364, pp. 734–737. doi: 10.1126/science.280.5364.734
  7. Erwin J.L., DaSilva L.M., Bavari S., Little S.F., Friedlander A.M., Chanh T.C. Macrophage-derived cell lines do not express proinflammatory cytokines after exposure to Bacillus anthracis lethal toxin. Infect. Immun., 2001, vol. 69, no. 2, pp. 1175–1177. doi: 10.1128/IAI.69.2.1175-1177.2001
  8. Green B.D., Battisti L., Koehler T.M., Thorne C.B., Ivins B.E. Demonstration of a capsule plasmid in Bacillus anthracis. Infect. Immun., 1985, vol. 49, no. 2, pp. 291–297. doi: 10.1128/iai.49.2.291-297.1985
  9. Hanna P.C., Acosta D., Collier R.J. On the role of macrophages in anthrax. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1993, vol. 90, no. 21, pp. 10198–10201. doi: 10.1073/pnas.90.21.10198
  10. Mikesell P., Ivins B.E., Ristroph J.D., Dreier T.M. Evidence for plasmid-mediated toxin production in Bacillus anthracis. Infect. Immun., 1983, vol. 39, no. 1, pp. 371–376. doi: 10.1128/iai.39.1.371-376.1983
  11. Missiakas D., Schneewind O. Assembly and function of the Bacillus anthracis S-layer. Annu. Rev. Microbiol., 2017, vol. 71, pp. 79–98. doi: 10.1146/annurev-micro-090816-093512
  12. Moayeri M., Leppla S.H., Vrentas C., Pomerantsev A.P., Liu S Anthrax pathogenesis. Annu. Rev. Microbiol., 2015, vol. 69, pp. 185–208. doi: 10.1146/annurev-micro-091014-104523
  13. Zakowska D., Bartoszcze M., Niemcewicz M., Bielawska-Drózd A., Kocik J. New aspects of the infection mechanisms of Bacillus anthracis. Ann. Agric. Environ. Med., 2012, vol. 19, no. 4, pp. 613–618.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure. Concentration of cytokines in the culture fluid upon infection of the J774A macrophage-like cell line with B. anthracis strains with different plasmid composition

Download (142KB)

Copyright (c) 2022 Koteneva E.A., Tsygankova O.I., Shcherbakova V.Y., Kalinin A.V., Rodionov I.S., Serdyukov V.V., Abramovich A.V., Kulichenko A.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».