A novel role for hepatocyte Toll-like receptors in controlling iron restriction

Abstract

Iron homeostasis is crucial for human health. During infection, iron is restricted as a host-defense mechanism, resulting in the development of hypoferremia and, after prolonged iron restriction, to anemia of inflammation. Pathogens are recognized by macrophages which leads to cytokine secretion, such as interleukin (IL)–6 and IL–1β. Consequently, hepatocytes are activated and produce the key iron regulator peptide hepcidin. Hepcidin promotes the internalization and degradation of the only known iron exporter ferroportin resulting in decreased serum iron levels. However, whether Toll-like receptors (TLRs) expressed on hepatocytes directly recognize pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) and contribute to hepcidin upregulation has not been resolved. To answer this question, primary murine hepatocytes were stimulated with TLR1-9 ligands for 4 h. Hepatocytes responded with an upregulation of pro-inflammatory genes and secreted cytokines. Stimulation with the TLR5 ligand flagellin and TLR2/6 ligand FSL1 could specifically upregulate hepcidin expression in hepatocytes. Early FSL1-mediated hepcidin upregulation was independent of autocrine upregulation by IL-1β and IL-6 and was further shown to be independent of macrophage secreted cytokines in a macrophage:hepatocyte co-culture. Hepcidin expression in response to FSL1, flagellin, heat inactivated Staphylococcus aureus and Brucella abortus was mediated by TLR2/6 and the downstream mediators c–Jun-N-terminal kinases (JNK) and extracellular–signal regulated kinases (ERK). An ex vivo perfusion experiment demonstrated that bacteria could pass the liver sinusoidal endothelial cell barrier and stimulate hepcidin upregulation in hepatocytes. This study highlights hepatocytes as active immunological players and provides insight into novel regulators of hepcidin, and consequently of iron homeostasis.

Die Eisenhomöostase spielt eine entscheidende Rolle für die menschliche Gesundheit. Im Verlauf einer Infektion wird durch einen angeborenen Abwehrmechanismus die verfügbare Serumeisenkonzentration des Wirts vermindert, was bei längerer Entzündungsdauer zur Entwicklung einer entzündungsbedingten Anämie führt. Pathogene werden durch Makrophagen erkannt, die Zytokinen wie Interleukin (IL)-6 und IL-1β ausschütten. Infolgedessen werden Hepatozyten aktiviert und produzieren das eisenregulierende Peptidhormon Hepcidin, welches den Abbau des einzigen bekannten Eisenexporters, Ferroportin einleitet. Dies führt zu einem verringertem Serumeisenspiegel. Ob Hepatozyten mit Hilfe ihrer Toll-like Rezeptoren (TLRs) Pathogene erkennen und infolgedessen zur Hepcidinantwort beitragen können ist bisher ungelöst.Um diese Frage zu beantworten, wurden primäre Hepatozyten der Maus für 4 Stunden mit TLR1-9-Liganden stimuliert. Sie reagierten mit einer erhöhten Expression von proinflammatorischen Genen und sekretierten Zytokine. Die Stimulation mit dem TLR5-Liganden FLA-ST und dem TLR2/6-Liganden FSL1 erhöhte die spezifische Expression von Hepcidin in Hepatozyten. Die anfängliche Hepcidinexpression als Antwort auf FSL1 ist unabhängig von autokriner Regulierung mit IL-1β und IL-6. Ein Makrophagen:Hepatozyten Ko-Kultursystem zeigte weiters, dass die frühe Hepcidinantwort nicht von Makrophagen und deren Zytokinen abhängt. Weiters wurde gezeigt, dass die Hepcidinantwort auf FSL1, Flagellin, sowie auf hitzeinaktivierte Staphylococcus aureus und Brucella abortus von der Aktivierung von TLR2/6 und der Signaltransduktionsmoleküle c-Jun-N-terminale Kinasen (JNK) und extrazellulär-signalregulierte Kinasen (ERK) abhängig ist. Ein ex vivo Perfusionsversuch zeigte, dass Bakterien die Barriere der sinusoidalen Endothelzellen der Leber passieren und die Expression von Hepcidin in Hepatozyten stimulieren können. Diese Studie stellt Hepatozyten als aktive immunologische Akteure ins Rampenlicht und liefert Einblicke in neue Regulatoren von Hepcidin und folglich der Eisenhomöostase.