Search

Background: The potential role of the gut microbiome as a predictor of immune-mediated HIV-1 control in the absence of antiretroviral therapy (ART) is still unknown. In the BCN02 clinical trial, which combined the MVA.HIVconsv immunogen with the latency-reversing agent romidepsin in early-ART treated HIV-1 infected individuals, 23% (3/13) of participants showed sustained low-levels of plasma viremia during 32 weeks of a monitored ART pause (MAP). Here, we present a multi-omics analysis to identify compositional and functional gut microbiome patterns associated with HIV-1 control in the BCN02 trial. Results: Viremic controllers during the MAP (controllers) exhibited higher Bacteroidales/Clostridiales ratio and lower microbial gene richness before vaccination and throughout the study intervention when compared to non-controllers. Longitudinal assessment indicated that the gut microbiome of controllers was enriched in pro-inflammatory bacteria and depleted in butyrate-producing bacteria and methanogenic archaea. Functional profiling also showed that metabolic pathways related to fatty acid and lipid biosynthesis were significantly increased in controllers. Fecal metaproteome analyses confirmed that baseline functional differences were mainly driven by Clostridiales. Participants with high baseline Bacteroidales/Clostridiales ratio had increased pre-existing immune activation-related transcripts. The Bacteroidales/Clostridiales ratio as well as host immune-activation signatures inversely correlated with HIV-1 reservoir size. Conclusions: The present proof-of-concept study suggests the Bacteroidales/Clostridiales ratio as a novel gut microbiome signature associated with HIV-1 reservoir size and immune-mediated viral control after ART interruption. Video abstract. This study was funded by Instituto de Salud Carlos III through the project “PI16/01421” (co-funded by European Regional Development Fund “A way to make Europe”). The project was sponsored in part by Grifols and received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement N° 847943 (MISTRAL). The BCN02 clinical trial was an investigator-initiated study funded by the ISCIII PI15/01188 grant, the HIVACAT Catalan research program for an HIV vaccine and the Fundació Gloria Soler. Some sub-analyses of the BCN02 trial were partly funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement 681137-EAVI2020 and by NIH grant P01-AI131568. A.Bu lab was supported by grants from the Canadian Institutes of Health Research (HB3-164066) and the National Institutes for Health Research (R01DK112254). J.M.P lab was supported by grant PID2019-109870RB-I00 from the Spanish Ministry of Science and Innovation and in part by Grifols. J.M.M. received a personal 80:20 research grant from Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), Barcelona, Spain, during 2017–21.

Tuberculosis, caused by Mycobacterium tuberculosis, is a global health problem with approximately two million deaths every year. Furthermore, up to one-third of the world population is infected with latent form of this bacterium. Existing anti-tuberculosis therapies are directed against actively replicating bacteria, while there is no particular treatment for latent tuberculosis infection. Bacterial two-component systems (TCSs) are pleiotropic and play a central role in the adaptation of pathogenic bacteria to the environment prevailing within host tissues. TCS allow microorganisms to sense and respond to changes in many different environmental conditions therefore are considered potential pharmacological targets for the development of novel antimycobacterial drugs. In this work, we review the current knowledge of the TCSs of Mycobacterium tuberculosis. We discuss their role in bacterial pathogenesis and virulence. We pay special attention to the DosS/DosT/DosR TCS, emphasizing its importance in latent tuberculosis development. La tuberculosis, infección causada por Mycobacterium tuberculosis, es un problema global de salud que causa aproximadamente dos millones de muertes anuales. Además, se estima que un tercio de la población mundial está infectada con la forma latente de este bacilo. Las terapias existentes contra la tuberculosis están dirigidas contra bacterias que se replican activamente, mientras que no hay actualmente ningún tratamiento específico para la infección latente de tuberculosis. Los sistemas de dos componentes (two-component systems, TCSs) bacterianos juegan un papel central en la adaptación de las bacterias patógenas al medio ambiente que prevalece en los tejidos del huésped. Los TCSs permiten a los microorganismos detectar y responder a los cambios en diferentes condiciones ambientales, y como tales se consideran posibles dianas terapéuticas para el diseño de nuevos fármacos antimicobacterianos. En esta revisión, se describe el conocimiento actual de los TCS de Mycobacterium tuberculosis. Se discute el papel que desempeñan en la patogénesis bacteriana y en la virulencia, destacando el sistema DosS/DosT/DosR por su papel en el desarrollo de la tuberculosis latente. La tuberculosi, infecció causada per Mycobacterium tuberculosis, és un problema global de salut que causa aproximadament dos milions de morts anuals. A més un terç de la població mundial està infectada amb la forma latent d’aquest bacil. Les teràpies existents contra la tuberculosi estan dirigides contra els bacteris que es repliquen activament, mentre que no hi ha tractament específic per a la infecció latent. Els sistemes de dos components (two-component systems, TCSs) bacterians tenen un paper central en l’adaptació dels bacteris patògens al medi ambient que preval dins dels teixits de l’hoste. Els TCS permeten als microorganismes detectar i respondre als canvis en moltes condicions ambientals diferents, i com a tals es consideren potencials dianes farmacològiques per al disseny de nous fàrmacs antimicobacterians. En aquest treball, es revisa el coneixement actual dels TCSs de Mycobacterium tuberculosis. Es discuteix el paper que tenen en la patogènesi bacteriana i virulència, amb particular atenció al TCS DosS/DosT/DosR pel seu paper en el desenvolupament de la tuberculosi latent.

La tuberculosi, la malaltia infecciosa causada per Mycobacterium tuberculosis, es un problema de salut global que provoca aproximadament 2 milions de morts anuals. Un terç de la població mundial es troba crònicament infectada amb Mycobacterium tuberculosis però no mostra símptomes clínics encara que té un risc d’un 10% de desenvolupar la malaltia, la qual cosa representa un reservori incontrolable de tuberculosi. En aquesta condició asimptomàtica, coneguda com a tuberculosi latent, Mycobacterium tuberculosis es localitza en lesions granulomatoses a l’hoste i és resistent als medicaments antimicobacterians existents en l’actualitat. En bacteris, els sistemes reguladors de dos components son un conjunt de proteïnes implicades en l’adaptació a canvis en l’entorn del microorganisme. Un sistema de dos components típic consta d’una histidina quinasa unida a membrana que té un paper essencial com a sensor dels canvis ambientals i un regulador transcripcional citosòlic que exerceix la seva funció controlant l’expressió de gens diana. Aquest parell de proteïnes funciona com un interruptor molecular que controla diferents respostes adaptatives a canvis a l’ambient cel•lular. Mycobacterium tuberculosis té 11 sistemes de dos components complets. El sistema DosRST, composat per un regulador transcripcional, DosR, i dues histidines quinases, DosS i DosT, té un paper estel•lar en l’adaptació de Mycobacterium tuberculosis a la tuberculosi latent. DosS i DosT s’autofosforilen en residus conservats d’histidina i ambdues proteïnes transfereixen aquesta un unitat de fosfat al residu d’àcid aspàrtic en posició 54 del regulador DosR. La fosforilació d’Asp54 és un interruptor que activa DosR i incrementa la seva afinitat per als promotors dels gens que regula. Les treonines 198 i 205 de DosR tenen un paper crucial en la dimerització de DosR i en la seva unió al DNA. Les dinàmiques moleculars realitzades amb la proteïna salvatge DosR i amb versions mutants mostren diferències notables en la formació del dímer actiu. També mostren una reducció o abolició completa de les interaccions proteïna-DNA a causa de les repulsions generades pels residus mutants carregats negativament. Encara més, les substitucions en Thr198 i Thr205 tenen un important efecte en la fosforilació química i enzimàtica de DosR així com també en la seva defosforilació catalitzada per DosS. El sistema de dos components DosRST és una bona diana per al desenvolupament de nous compostos amb activitat antimicobacteriana contra formes dorments de Mycobacterium tuberculosis. S’ha iniciat un programa de recerca dirigit al desenvolupament d’inhibidors específics de la proteïna reguladors DosR, usant com a punt de partida compostos comercials estructuralment relacionats amb un derivat fenilcumarínic que ha estat descrit com a molècula que interfereix en la interacció DosR-DNA., La tuberculosis, la enfermedad infecciosa causada por Mycobacterium tuberculosis, es un problema de salud global que provoca aproximadamente 2 millones de muertes anuales. Un tercio de la población mundial se encuentra crónicamente infectada con Mycobacterium tuberculosis pero no muestra síntomas clínicos aunque tiene un riesgo de un 10% de desarrollar la enfermedad, lo que representa un reservorio incontrolable de tuberculosis. En esta condición asintomática, conocida como tuberculosis latente, Mycobacterium tuberculosis se localiza en lesiones granulomatosas en el huésped y es resistente a los medicamentos antimicobacterianos existentes en la actualidad. En bacterias, los sistemas regulatorios de dos componentes son un conjunto de proteínas implicadas en la adaptación a cambios en el entorno del microorganismo. Un sistema de dos componentes típico consta de una histidina quinasa unida a membrana que tiene un papel esencial como sensor de los cambios ambientales y un regulador transcripcional citosólico que ejerce su función controlando la expresión de genes diana. Este par de proteínas funciona como un interruptor molecular que controla distintas respuestas adaptativas a cambios en el ambiente celular. Mycobacterium tuberculosis tiene 11 sistemas de dos componentes completos. El sistema DosRST, compuesto por un regulador transcripcional, DosR, y dos histidinas quinasas, DosS y DosT, juega un papel estelar en la adaptación de Mycobacterium tuberculosis a la tuberculosis latente. DosS y DosT se autofosforilan en residuos conservados de histidina y ambas proteínas transfieren esta unidad de fosfato al residuo de ácido aspártico en posición 54 del regulador DosR. La fosforilación de Asp54 es un interruptor que activa a DosR e incrementa su afinidad por los promotores de los genes que regula. Las treoninas 198 y 205 de DosR juegan un papel crucial en la dimerización de DosR y en su unión al DNA. Las dinámicas moleculares realizadas con la proteína salvaje DosR y con versiones mutantes muestran diferencias notables en la formación del dímero activo. También muestran una reducción o abolición completa de las interacciones proteína-DNA a causa de las repulsiones generadas por los residuos mutantes cargados negativamente. Más aún, las sustituciones en Thr198 y Thr205 tienen un importante efecto en la fosforilación química y enzimática de DosR así como también en su defosforilaición catalizada por DosS. El sistema de dos componentes DosRST es una buena diana para el desarrollo de nuevos compuestos con actividad antimicobacteriana contra formas durmientes de Mycobacterium tuberculosis. Se ha iniciado un programa de investigación dirigido al desarrollo de inhibidores específicos de la proteína reguladora DosR, usando como punto de partida compuestos comerciales estructuralmente relacionados con un derivado fenilcumarínico que ha sido descrito como molécula que interfiere en la interacción DosR-DNA., Tuberculosis, the infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis, is a global health problem with approximately two million deaths annually. One-third of the world population is chronically infected with Mycobacterium tuberculosis but do not show clinical symptoms although there is a 10% risk to development active disease, representing an uncontrollable reservoir of tuberculosis. In this asymptomatic condition, referred to as latent tuberculosis, Mycobacterium tuberculosis is located within granulomatous lesions in the host and is resistant to currently available antimycobacterial drugs. Two-component regulatory systems in bacteria are a major class of signal transduction proteins involved in adaptation to environmental changes. Typical system contains a membrane-bound histidine kinase that plays a crucial role in sensing environmental stimuli, and a cytosolic response regulator. This pair of proteins functions as a molecular switch that controls diverse adaptive environmental responses. Mycobacterium tuberculosis has eleven complete two-component systems. The DosRST system, composed of a response regulator, DosR, and two histidine kinases, DosS and DosT, plays a key role in Mycobacterium tuberculosis adaptation to latent tuberculosis. DosS and DosT autophosphorylate at conserved histidine residues and both proteins transfer this phosphor moiety to aspartic acid residue 54 of DosR. The phosphorylation of Asp54 serves as a switch to activate DosR and to increase the affinity for its cognate DNA promoters. Threonines 198 and 205 of DosR play a crucial role in DosR dimerization and DNA binding. The molecular dynamics with wild type and mutant version of DosR show different stability in the formation of the active DosR dimer. They also show the reduction or the abolishment of protein-DNA interactions because of the repulsions generated by negatively charged mutated residues. Moreover, substitutions in threonines 198 and 205 of DosR have a relevant effect on the chemical and enzymatic phosphorylation of DosR and on its DosS-catalysed dephosphorylation. The DosRST two-component system is a good target for the development of novel antimycobacterial drugs against dormant forms of M. tuberculosis. A structure-based discovery programme of inhibitors of DosR response regulator has been initiated with commercially available compounds showing a certain degree of similarity with a phenylcoumarin derivative previously described as DosR-DNA interfering molecule.