Interactions between Streptococcus pyogenes and the human immune system, with special reference to C4b-binding protein

Abstract

The ability of many pathogenic microorganisms to cause infection is dependent on their ability to evade attack by the complement system of the host. One mechanism by which microorganisms may avoid complement attack is to bind complement inhibitory molecules present in the host.



This thesis describes studies of the complement inhibitor C4BP and of inter-actions between C4BP and the human pathogen Streptococcus pyogenes (group A streptococci). The first paper describes structural studies of bovine C4BP, while the following three papers deal with the interactions between human C4BP and S. pyogenes.



Contrary to human C4BP, bovine C4BP does not form a complex with protein S, a plasma protein with regulatory function in the coagulation system. Sequence analysis demonstrated a deletion in the putative protein S–binding subunit of bo-vine C4BP, providing an explanation for the lack of C4BP–protein S complex in bovine plasma.



It is well known that most strains of S. pyogenes express one or two surface proteins that are members of the M-protein family. Many strains express a single ”M-protein”, which is an important virulence factor, by virtue of its ability to pre-vent phagocytosis. For strains that express two members of the family, the bio-logical function of those two ”M-like” proteins has been unclear. We have found that the latter type of strains usually bind C4BP, and that this property is due to one of the two molecules in the M-protein family. The bound C4BP was found to be functionally active, suggesting that it contributes to the protection against complement attack.



Structural analysis showed that C4BP binds to a highly variable part of the M-like proteins. Thus, the ability to bind C4BP has been retained in evolution, although the binding region shows very extensive primary sequence variation. This finding indicates that the ability to bind C4BP is important for the strepto-cocci.



To assess the functional role of the two M-like proteins expressed by many S. pyogenes strains, isogenic mutants were derived from a clinical isolate. These mutants were analyzed in phagocytosis assays. The results showed that each of the two M-like proteins of this strain have antiphagocytic function. Thus, this type of strain expresses two antiphagocytic M-proteins. The results indicate that one of these M-proteins, the one that binds C4BP, may be more important than the other for phagocytosis resistance.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING



IMMUNFÖRSVARET OCH KOMPLEMENTSYSTEMET Till skydd mot infektioner har människan sitt immunförsvar. Här ingår till exempel vita blodkroppar och en mängd olika proteiner. En viktig grupp av proteiner kallas för komplementsystemet, vilket består av ca 30 proteiner som kan angripa bakterier och andra oönskade partiklar och delta i för-störelsen av dem. Komplementsystemet regleras av ett flertal proteiner som förhindrar att människans egna celler kommer till skada i processen. Ett sådant reglerprotein är C4BP som studeras i denna avhandling. Sjukdomsframkallande mikroorganismers förmåga att orsaka infektion beror ofta på att de har utvecklat strategier för att undkomma attack av komplementsystemet. En strategi kan vara att utnyttja de reglerande pro-teiner som värden använder för att skydda sig själv. Om dessa binds till mikroorganismens yta kommer de att kunna förhindra att komplementsys-temet aktiveras på mikroorganismens yta eller i dess närhet.



STREPTOCOCCUS PYOGENES (GRUPP A STREPTOKOCKER) Streptococcus pyogenes, eller grupp A streptokocker, är en av de vanligaste sjukdomsframkallande bakterierna hos människan. Den ger upphov till bl. a. halsfluss och svinkoppor, men kan även orsaka djupare och mer livshotande infektioner. S. pyogenes är den bakterie som för några år sedan figurerade i pressen som den s.k. “mördarbakterien”. S. pyogenes uttrycker ett flertal strukturer som skulle kunna hjälpa bakterien att undgå attack från immunförsvaret. De viktigaste strukturerna anses vara de s.k. M-proteinerna som hindrar de vita blodkropparna att med hjälp av komplementsystemet förstöra bakterien. Under evolutionens gång har det utvecklats flera olika typer av M-proteiner och de kan skilja sig mycket i struktur mellan olika stammar av S. pyogenes. Denna variation bidrar till att man inte blir immun mot halsfluss utan kan drabbas av en ny infektion av en stam av S. pyogenes som uttrycker en annan typ av M-protein. Detta beror på att immunförsvaret inte ”känner igen” strepto-kocken med den nya typen av M-protein. Trots att M-proteinerna varit kända i mer än 50 år finns fortfarande många obesvarade frågor vad gäller deras funktion, speciellt hur de kan förhindra att streptokockerna förstörs av immunförsvaret. Dessutom uttrycker många stammar av S. pyogenes två stycken s.k. ”M-lika” proteiner, vilka liknar de tidigare studerade M-proteinerna men till skillnad från dessa inte har visats ha en skyddande effekt gentemot immunförsvaret. Infektioner med S. pyogenes är ett stort hälsoproblem både i utvecklade länder och utvecklingsländer och det vore önskvärt att kunna utveckla ett vaccin. För att göra detta måste man förstå de mekanismer som strepto-kockerna använder sig av för att infektera människan.



ARBETE I–IV Vi har funnit att många stammar av S. pyogenes binder C4BP via sina ”M-lika” proteiner och att det bundna C4BP:t har kvar sin reglerande funk-tion i komplementsystemet (arbete II). Vår hypotes är att att bakterien på detta sätt kan använda sig av C4BP för att skydda sig mot attack av kom-plementsystemet. I arbete III lokaliseras den C4BP-bindande ytan hos de ”M-lika” proteinerna och visas vara belägen i den mest variabla delen av dessa proteiner. Detta tyder på att interaktionen med C4BP är av betydelse för streptokockerna eftersom denna egenskap bibehållits trots att evolu-tionen drivit fram en variation av M-proteinernas struktur. För att studera vilka strukturer hos bakterien som är viktiga när den skall orsaka infektion behöver man på genetisk väg framställa varianter av bakterien som saknar enbart de strukturer man studerar. Dessa s. k. mu-tanter kan sedan användas för att studera t. ex. växt i blod, vidhäftning till humana celler eller förmåga att orsaka sjukdom hos djur. I arbete IV an-vänder vi en vanlig streptokockstam för att framställa mutanter som saknar endera eller båda av de två ”M-lika” proteiner som uttrycks av denna stam. Ett av dessa M-lika proteiner binder C4BP. Dessa mutanter testas i försök där de får växa i blod (som bl. a. innehåller komplentsystemets faktorer och vita blodkroppar), vilket anses vara ett sätt att studera hur sjuk-domsframkallande en bakterie är. Resultaten visade att vart och ett av de två ”M-lika” proteinerna kan förhindra att streptokockerna förstörs av im-munförsvaret. Eftersom båda dessa proteiner skyddar bakterien mot im-munförsvaret kan de nu definieras som ”M-proteiner”. Resultaten tyder dock på att det bakterieprotein som binder C4BP är viktigast för den skyddande funktionen. Att studera ett protein hos olika arter är ett sätt att få ökad kunskap om hur proteinet fungerar hos människa. I arbete I studeras C4BP hos ko och jämförs med C4BP hos människa. Hos människan interagerar C4BP med det blodproppshämmande protein S men hos kon finns inte detta komplex. Våra undersökningar ger en förklaring till denna skillnad eftersom det visade sig att en del av kons C4BP saknas i den region som hos män-niskans C4BP binder protein S.

• author: Thern, Anette
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Kilian, Mogens, Aarhus University, Denmark
• organization: Division of Medical Microbiology
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: Microbiology, Phagocytosis, M-proteins, M-like proteins, Bovine C4b-binding protein, Streptococcus pyogenes, Human C4b-binding protein, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 106 pages
• defense location: Fehrnströmsalen, BMC, Lund University
• defense date: 1998-01-30 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMI-1031-SE
• ISBN: 91-628-2821-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 20d82a4d-8064-4c80-8214-86aa55b63df4 (old id 38393)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:50:35
• date last changed: 2018-11-21 21:07:33