Polyunsaturated phospholipids in large-scale membrane deformations induced by bacterial toxins

Description

Most cellular membranes contain phospholipids (PL) with saturated and mono-unsaturated acyl chains. However, polyunsaturated PL (PUPL) are abundant membrane components in some specialized cells, notably neurons and endothelial cells. Previously, we showed that docosahexaenoic acid (DHA), a polyunsaturated fatty acid that belongs to the omega 3 family, reduced the energy cost for membrane tubulation, thereby facilitating vesicle formation in endocytosis processes. Here, we investigate the effects of DHA in PL on two distinct bacterial invasion processes in endothelial cells, which rely on either RhoA GTPase inactivation or the activation of Rho GTPases. The first process is bacterial-toxin induced formation of transendothelial cell macroapertures (TEMs) or tunnels, which represents a novel path for bacterial extravasation in tissues through the endothelium. The second process is extraintestinal pathogenic Escherichia coli (ExPEC) invasion of endothelial cells. We modified the lipidic profile of PL in terms of acyl chains in Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVEC) by defined fatty acid diets. Under DHA-diet conditions where the level of DHA-PL in the plasma membrane increased, we observed that the frequency of TEM openings increased in cells treated with the RhoA inactivating C3 exoenzyme from Clostridium botulinum. The facilitating effect on TEM nucleation was attributed to the thinner cell thickness resulting from DHA-PL enrichment. DHA-PL-enriched environment also triggered an increase of the density of TEMs that display smaller apertures and shorter lifetimes. The product of TEMs maximal size by their number remained constant, indicating the total area occupied by TEMs in a cell remains similar. We therefore show a homeostatic regulation in the host cell in order to balance the membrane tension to prevent cell rupture induced by bacterial toxins. As a broader evidence of the importance of PULP-levels in membranes, we found that increase of DHA-PL at the plasma membrane reduced bacterial toxin-induced invasion of endothelial cells by uropathogenic E. coli. Altogether, our results shed light on the role of DHA-containing PUPL on actin-driven large-scale plasma membrane deformations triggered by two families of bacterial toxins, which jeopardize Rho GTPase signaling to allow cell or tissue invasion by pathogenic bacteria.

Abstract (French)

La plupart des membranes cellulaires contiennent des phospholipides (PL) avec des chaînes acyles saturées et mono-insaturées. Cependant, les PL polyinsaturés (PUPL) sont des composants membranaires abondants dans certaines cellules spécialisées, notamment les neurones et les cellules endothéliales. Précédemment, nous avons montré que l'acide docosahexaénoïque (DHA), un acide gras polyinsaturé qui appartient à la famille des omega 3, réduisait le coût énergétique de la tubulation membranaire, facilitant ainsi la formation de vésicules dans les processus d'endocytose. Ici, nous étudions les effets du DHA dans les PL sur deux processus distincts d'invasion bactérienne ciblant les cellules endothéliales qui reposent soit sur l'inactivation de la RhoA GTPase, soit l'activation des Rho GTPases. Le premier processus est la formation de macroapertures transendothéliales (TEMs) ou tunnels, induits par une toxine bactérienne. Les TEMs représentent une nouvelle voie d'extravasation bactérienne dans les tissus à travers l'endothélium. Le second processus est l'invasion des cellules endothéliales par Escherichia pathogène extra-intestinal (ExPEC).Nous avons modifié le profil lipidique des PL en terme de chaines acylées dans les cellules endothéliales humaine de la veine ombilicale (HUVEC) par des régimes alimentaires à base d'acides gras définis. Dans des conditions de régime DHA où le pourcentage de DHA-PL à la membrane plasmique augmente, nous avons observé une augmentation de la fréquence d'ouverture des TEMs induits par l'exoenzyme C3 de Clostridium botulinum qui inactive la GTPase RhoA. L'effet facilitant la nucléation des TEMs est attribué à une diminution de l'épaisseur des cellules résultant de l'enrichissement en DHA-PL. Les TEMs dans un environnement enrichi en DHA-PL sont aussi plus petits et transitoires, montrant une densité plus élevée. Le produit de la taille maximale des TEMs par leur nombre reste pourtant constant, ce qui indique que la surface totale occupée par les TEM dans une cellule reste similaire. Notre étude montre donc une régulation homéostatique dans la cellule afin d'équilibrer la tension membranaire pour empêcher l'éclatement de la cellule induit par des toxines bactériennes. Comme preuve plus large de l'importance des niveaux de PULP dans les membranes, nous avons découvert que l'augmentation du pourcentage de DHA-PL à la membrane plasmique réduit l'invasion des cellules endothéliales par une souche d'E. coli uropathogène, médiée par une toxine bactérienne activatrice des GTPases Rho. Dans l'ensemble, nos résultats mettent en lumière le rôle inhibiteur des PULP contenant du DHA sur les larges déformations de la membrane plasmique provoquées par l'actine et induites par deux familles de toxines bactériennes, qui affectent la signalisation de la Rho GTPase pour permettre l'invasion des cellules ou des tissus par des bactéries pathogènes.

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