Immunoglobulin-binding bacterial surface proteins; biomedical tools and virulence factors

Abstract

Many bacteria express immunoglobulin(Ig)-binding proteins that interact with Ig in a non-immune manner. Several of these Ig-binding bacterial proteins have been well characterized and are widely used as reagents for analysis and purification of Ig's. Protein G found on group C and G streptococci has affinity for constant regions of IgG heavy chains, whereas protein L found on Peptostreptococcus magnus binds to Ig light chains. A hybrid Ig-binding protein, protein LG, was generated by combining the Ig-binding parts from proteins G and L. Protein LG has the most complete Ig-binding properties of the Ig-binding proteins described so far, and it specifically absorbs the majority of Ig in plasma from humans and a wide variety of other mammals.



Binding of Ig is also a common property of Streptococcus pyogenes, an important human pathogen. The different Ig Fc-binding proteins expressed by S. pyogenes have structural similarities with the M proteins. The M proteins are important virulence factors in S. pyogenes, due to their ability to confer resistance to phagocytosis to the bacterium. However, the role for the Ig-binding proteins in bacterial pathogenesis is unclear. Expression of the M protein is under control of the trans-acting regulator Mga. Insertional inactivation of mga in a S. pyogenes strain of the M1 serotype showed that protein H, an IgG Fc-binding M-like protein, was co-regulated with the M1 protein, protein SIC, an extracellular inhibitor of complement-dependent lysis, and the surface-associated C5a peptidase in this strain. The wild type strain was resistant to phagocytosis and adhered to human skin tissue sections, properties that were lost in the mutant. In addition, the mga mutant was affected in the expression of the cytotoxin streptolysin S and the activation of the streptococcal cysteine proteinase. When S. pyogenes express more than one M-like protein the biological functions of these proteins have been unclear. Isogenic mutants devoid of either surface-associated M1 protein or protein H revealed that the M1 protein specifically mediated the observed adherence and was nessecary for activation of the cysteine proteinase, whereas proteins M1 and H were both efficient in protecting S. pyogenes against phagocytosis. The anti-phagocytic property of the M proteins has been suggested to be due to inhibition of the alternative pathway of complement activation. Both the M1 protein and protein H bind factor H, an inhibitor of the alternative pathway. In addition, bacterial-associated protein H was shown to inhibit Ig-dependent activation of the classical pathway. Protein H was also shown to inhibit the binding of C1q, a component of the classical pathway, to IgG. These data implicate an important role for the Ig-binding for the protein H mediated inhibition of the classical pathway.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Populärvetenskaplig sammanfattning



Antikroppar, även kallade immunoglobuliner, är proteiner som utgör en viktig del i vårt försvar mot infektioner genom att de kan binda och neutralisera ämnen som uppfattas som främmande, t ex bakterier, virus eller produkter som produceras av dessa organismer. Antikropparna består av en antigen-bindande variabel del som binder till det kroppsfrämmande ämnet och en konstant del som samverkar med andra komponenter i immunförsvaret. Denna samverkan resulterar i eliminering eller nedbrytning av dessa främmande substanser eller partiklar. Antikropparna är del av det sk adaptiva immunförsvaret som gör att kroppen “minns" och som har till uppgift att se till att vi inte infekteras med en och samma bakterie eller virus vid fler än ett tillfälle.



Många bakteriearter uttrycker ytproteiner som har förmåga att binda till antikroppar. Det är sannolikt att dessa ytproteiner utvecklats för att bemöta immunförsvaret. Det första bakteriella antikropps-bindande proteinet, protein A från stafylokocker, upptäcktes för mer än 25 år sedan. Senare har ett flertal antikropps-bindande proteiner identifierats hos olika bakterier, däribland protein G från grupp C och G streptokocker, protein L från peptostreptokocker och M-lika proteiner från grupp A streptokocker. Avhandlingen grundar sig på sex vetenskapliga uppsatser varav två beskriver en hybrid mellan proteinerna L och G, medan de resterande fyra handlar om M-lika proteiner hos grupp A streptokocker.



Proteinerna A och G har fått stor betydelse inom biomedicinen där de utnyttjas för att påvisa, rena fram och eliminera antikroppar. Protein A och protein G binder till IgG från människa och från många andra däggdjur. Protein G har en något bredare IgG-bindingskapacitet än protein A. Protein L skiljer sig från de två andra genom att det binder till antikropparnas lätta kedjor (Fig. 1, sidan 9). De lätta kedjorna är gemensamma för alla klasser av antikroppar, och protein L har därför ett annat bindings-mönster än de andra proteinerna. Protein L binder emellertid inte till alla typer av lätta kedjor.



Karakteristiskt för proteinerna A, G och L är att de består av repeterade, sinsemellan likartade domäner, vilka var och en binder till antikroppar. Genom att kombinera de bindande domänerna från protein L och G har vi skapat ett hybridprotein, protein LG (Fig. 7, sidan 33), som är det mest heltäckande Ak-bindande protein som hittills beskrivits (delarbete I och II). Protein LG kan absorbera 90 % av alla antikroppar i human blodplasma och 80-90 % av totala mängden Ak i blodplasma från andra arter som mus, råtta och kanin. Protein LG har därför en stor potential för analys av Ak, samt för absorbtion av Ak från blodplasma.



Grupp A streptokocker (Streptococcus pyogenes på latin) är viktiga sjukdomsframkallande bakterier och förorsakar dels vanliga lindriga sjukdomstillstånd som halsfluss, scharlakansfeber och hudinfektioner, men kan även ge upphov till allvarliga infektioner som rosfeber, sepsis och svåra sårinfektioner. De kan dessutom ge upphov till allvarliga följdsjukdomar såsom reumatisk feber och njurinflammation. De flesta grupp A streptokocker uttrycker proteiner som binder till den konstanta delen av antikroppar. Dessa proteiner tillhör den sk M protein-familjen och är identiska eller nära strukturellt besläktade med de sk M proteinerna (Fig. 3, sidan 14). M proteinerna hjälper bakterierna att undgå värdens immunförsvar vilket leder till att grupp A streptokocker kan föröka sig i värdkroppen. Både M proteinerna och de M-lika antikroppsbindande proteinerna har en variabel del som är belägen längst ut från bakteriens yta och därför är mest exponerad för immunförsvaret. Variabiliteten hos denna struktur förklarar dels förekomsten av ett stort antal varianter (ca 80 serotyper) som inte ger upphov till inbördes korsimmunitet dels att man hittills inte har lyckats framställa vaccin mot grupp A streptokocker.



Även om det ligger nära till hands att tro att den antikroppsbindande egenskapen har betydelse för den sjukdomsframkallande förmågan hos grupp A streptokocker har detta inte fastställts med säkerhet. Genom att skapa genetiskt förändrade varianter, s.k. mutanter, av en grupp A streptokock stam med den vanliga M serotypen 1 har vi studerat uttryck och funktion av ett det antikropps-bindande proteinet H (delarbete III och V). Resultaten visade att protein H uttrycks och regleras gemensamt med M1 proteinet (vilket också binder till antikroppar) samt två andra proteiner, vilka båda interagerar med andra delar av immunförsvaret (Tabell 2, sidan 37). En mutant där alla dessa fyra proteiner saknades hade förlorat förmågan att motstå fagocytos (upptag och avdödande av vita blodkroppar) vilket är ett tecken på att bakteriens sjukdomsframkallande förmåga är reducerad. För att utreda vilken betydelse M1 proteinet har i relation till protein H skapades också mutanter som endast saknade ett av dessa proteiner. Båda mutanterna kunde motstå fagocytos, vilket visar att såväl M1 proteinet som protein H kunde blockera immunförsvaret.



För att bakterier skall kunna fagocyteras av vita blodkroppar måste de först ha försetts med en “adresslapp”, vilken utgörs av antikroppar som bundit in via sin antigen-bindande variabla del och/eller av proteinet C3b. Aktivt C3b är en central komponent i det sk komplementsystemet (Fig. 6, sidan 23), en grupp proteiner som tillsammans kan döda vissa bakterier, men också bidra till att andra komponenter i immunförsvaret aktiveras i anslutning till infektionshärden. Aktivt C3b kan binda direkt till bakterier och därigenom dels aktivera komplementsystemet, via den sk alternativa vägen, dels fungera som “adresslapp” för de vita blodkropparna. Antikroppar som bundit till bakterier genom sin antigen-bindande del kan också indirekt, efter deposition av andra komplementfaktorer, bl a C1q, aktivera C3b via den sk klassiska vägen, en process som också åstadkommer såväl komplementaktivering som underlättande av fagocytos. För att skydda människans egna celler regleras komplementsystemet av ett flertal proteiner.



Genom att utnyttja den mutant som uttrycker M proteinet men saknar protein H kunde vi i delarbete IV visa att protein H förhindrar aktivering av den klassiska komplementvägen. Detta visades bero på att protein H genom att binda IgG förhindrade inbindningen av den första komplementfaktorn C1q till IgG på bakterieytan. Försöken visade också att mer av komplementfaktorn C3b band in till protein H-mutanten än till det ursprungliga bakterieisolatet. Som nämnts motstår emellertid Protein H-mutanten fagocytos. En förklaring till detta kan vara att såväl M1 proteinet som protein H binder ett mänskligt protein som nedreglerar den alternativa komplementvägen (delarbete III).



Försöken med protein M och protein H mutanterna visade att dessa proteiner förutom att inhibera fagocytos också har andra funktioner. Adhesion, inbinding till värdceller är ett viktigt första steg i att etablera en infektion. Vi kunde visa att M proteinet, men inte protein H, förmedlar bindning till celler i hudvävnad från människa. Grupp A streptokocker uttrycker också ett proteolytiskt enzym, ett cysteinproteinas, som bl.a kan frigöra proteinerna M och H från bakterieytan. Försök med en protein M mutant visade att ett M protein måste finnas på bakterieytan för att detta enzym ska kunna bli aktivt (delarbete VI).



Tillsammans tyder dessa observationer på att grupp A streptokocker använder sig av en rad olika strategier för att skydda sig mot immunförsvaret och att M proteinet och protein H utnyttjar delvis olika mekanismer för att undvika fagocytos, samt att dessa Ig-bindande proteiner troligen samverkar såväl med varandra som med andra streptokock-proteiner för att överleva i en ständigt pågående kamp mot värdorganismen.

• author: Kihlberg, Britt-Marie
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: docent Guss, Bengt, Dept. of Mikrobiology, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• keywords: Phagocytosis, M-like protein, M protein, Protein L, Protein G, Ig-binding, Streptococcus pyogenes, Fc Receptors, mykologi, virologi, bakteriologi, Mikrobiologi, mycology, virology, bacteriology, Microbiology, Cysteine proteinase, Streptolysin
• pages: 146 pages
• defense location: Lund
• defense date: 1998-04-17 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM-98/1010--SE
• ISBN: 91-628-2931-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ada8280b-37a9-476b-ad34-c3f3cb74d04d (old id 38521)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:37:46
• date last changed: 2018-11-21 20:59:52