Contact activation on bacterial surfaces - a virulence mechanism

Abstract

Life-threatening conditions from bacterial infections are a major clinical problem. During a severe infection, the host responds by a massive release of pro-inflammatory mediators together with a systemic activation of systems such as the coagulation, fibrinolytic, and complement systems. These events could result in the development of complications such as disseminated intravascular coagulation and shock. This thesis is focused on the molecular interactions between the human coagulation system, in particular the contact system, and bacteria such as Escherichia coli and Salmonella typhimurium expressing the surface organelle curli, and Staphylococcus aureus. Curli expressing E. coli and Salmonella bacteria were found capable of activating the contact system resulting in the release of the potent pro-inflammatory mediator bradykinin. An in vivo infectious model showed that blocking of contact system activation on the bacterial surface prevented tissue damage, coagulation dysfunctions and inflammatory reactions. Moreover, also S. aureus bacteria were able to trigger an activation of the contact system on their surface leading to the release of bradykinin. The curli organelle of E. coli has an unusually broad binding specificity of a number of human plasma and extracellular matrix proteins. The protein binding sites of the curli subunit csgA were mapped to two regions in the COOH- or the NH2-terminal part of csgA. Activation of the contact system on curliated E. coli bacteria was also found to trigger an activation of the coagulation cascade on the bacterial cell surface. Blocking of contact system activation also inhibited the induction of the coagulation cascade. Furthermore, this inhibition prevented generation of fibrinopeptides that in vivo induced the production of pro-inflammatory cytokines. These investigations indicate an important role for the coagulation and contact systems during severe infections.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En bakteries förmåga att orsaka sjukdom beror till viss del på vilka molekyler, så kallade virulensfaktorer, som bakterien kan utsöndra eller har på sin yta, samt på hur effektivt värdens immunförsvar är. I människans försvar mot infektioner spelar inflammation och koagulation en stor roll. Exempelvis kan infektionen avgränsas med ett olösligt koagel och vita blodkroppar, fagocyter, som dödar och äter upp bakterierna, kan rekryteras till infektionsstället. Emellertid kan en allvarlig infektion leda till att den infekterade värden producerar stora mängder inflammatoriska molekyler, bland annat cytokiner, som i sin tur påverkar en del andra viktiga system i kroppen, till exempel koagulationen. Detta kan bidra till utvecklingen av sekundära komplikationer, exempelvis koagulationsstörningar och chock, vilket medför en ökad dödlighet vid allvarliga infektioner. Varje år drabbas ca 750 000 människor i USA av livshotande bakteriella infektioner eller blodförgiftning (sepsis). Min avhandling handlar om molekylära interaktioner mellan vissa typer av bakterier och den del av koagulationssystemet som kallas för kontakt systemet.



Då ett blodkärl skadas exponeras proteiner, till exempel tissue faktor, som normalt sett inte finns i blodet. När tissue faktor exponeras för blod aktiveras koagulationssystemet vilket resulterar i att ett protein i blodet, fibrinogen, klyvs och ändrar form. Härigenom omvandlas fibrinogenet till ett olösligt fibrinnätverk. Tillsammans med blodplättar som klumpar ihop sig vid skadan bildar fibrinnätverket ett "plåster" som stoppar blödningen. När skadan läkts bryter det så kallade fibrinolytiska systemet ner koaglet som inte behövs längre. Koagulationen kan också sättas igång via kontaktsystemet. Detta system består av 4 proteiner som finns i blodet; faktor XII, plasmakallikrein, faktor XI, samt H-kininogen. Negativt laddade ytor kan aktivera kontaktsystemet vilket resulterar i en aktivering av koagulationen samt en utklyvning av bradykinin ur H-kininogen. Bradykinin är en mycket verksam inflammatorisk molekyl som orsakar smärta, sänker blodtrycket och ökar genomsläppligheten i blodkärlen så att vätska (plasma) flödar från blodet ut i omgivande vävnad.



Kroppens immunförsvar har utvecklat känsliga detektionssystem som bland annat känner igen enkla, generella strukturer på bakterier. När dessa system aktiveras produceras inflammatoriska molekyler, till exempel cytokiner, som ska hjälpa kroppen att bekämpa infektionen. Vid en allvarlig infektion kan bakterier och bakteriella produkter, tillsammans med en massiv frisättning av stora mängder cytokiner, leda till att tissue faktor exponeras på celler i blodomloppet och på de celler som klär blodkärlsväggarna, endotelcellerna. Detta leder till en generell aktivering av koagulationen och koagelbildning i blodomloppet. Dessutom har det visat sig att en första aktivering av det fibrinolytiska systemet, som bryter ner koagel, så småningom blockeras genom hämmare som utsöndras som svar på cytokinfrisättningen. Detta innebär att koagel i blodomloppet inte bryts ner utan tvärtom ansamlas. Även viktiga regulatoriska system, som förhindrar onormal aktivering av koagulationen, slås ut vid en allvarlig infektion och förstärker den obalans i koagulationen som redan uppstått. Studier har visat att även kontaktsystemet är påverkat under infektioner och till exempel kan detta system aktiveras av bakterier och bakteriella substanser. Hos patienter med sepsis har man sett att låga nivåer av faktor XII och H-kininogen i blodet korreleras med en lägre överlevnadsprognos. Djurmodeller och patientundersökningar indikerar att kontaktsystemet kan vara inblandat i utvecklingen av chock och blödningskomplikationer.



Många bakterier utnyttjar proteiner hos människan för att orsaka sjukdom, för att undvika immunsystemet eller för att förbättra överlevnadschanserna under en infektion. De Gramnegativa bakterierna som ingår i mitt arbete är Escherichia coli och Salmonella typhimurium. E. coli orsakar en del olika typer av sjukdomar såsom tarminfektioner, urinvägsinfektioner, hjärnhinne-inflammation och sepsis medan Salmonella bakterier för det mesta orsakar matförgiftning, tarminfektioner och i vissa fall tyfoid feber. Emellertid är patienter med andra sjukdomar, till exempel AIDS eller leukemi, frekvent utsatta för sepsis orsakad av Salmonella. Dessa E. coli och Salmonella bakterier har en struktur som heter curli på sin yta, vilken kan interagera med många olika typer av proteiner hos människan. Curli fungerar som så kallade adhesiner vilka förankrar bakterien till celler och vävnadsytor. Det har också visat sig att de här bakterierna framkallar frisättningen av cytokiner från celler och man har även funnit antikroppar mot curlistrukturen i blod hos patienter som lider av E. coli sepsis. Detta fynd visar att curli är viktiga under en infektion. Den Grampositiva bakterien, Staphylococcus aureus, kan orsaka en mängd olika sjukdomar, från lättare hudinfektioner och matförgiftning till livshotande infektioner som lunginflammation, toxisk chock syndrom, samt sepsis. Även S. aureus bakterier har proteiner på sin yta som kan binda till proteiner hos människan, men bakterierna utsöndrar också toxiner och enzymer som kan orsaka vävnadsskador och förvärra infektionen.



Dessa olika bakterier har även förmågan att binda proteiner i koagulations- och kontaktsystemet, och jag har studerat dessa interaktioner närmare. Studierna visar att när bakterier med curli på sin yta kommer i kontakt med plasma aktiveras kontaktsystemet och detta resulterar i en reaktion som orsakar frisättning av bradykinin. När en hämmare som blockerar aktivering av kontaktsystemet tillsätts stoppas bradykininfrisättningen. Genom att använda en djurmodell visade det sig att denna hämmare förhindrade vävnadsskador, blödningar och fibrinbildning (arbete I). Även S. aureus bakterier kunde aktivera kontaktsystemet på sin yta och också här kunde bradykininfrisättning blockeras genom att tillsätta en hämmare av kontaktsystemet (arbete II). Bindningsegenskaperna hos curli undersöktes närmare. Resultatet visade att de proteinenheter som bygger upp curli var och en, via två regioner på varje enhet, kunde binda ett antal olika proteiner hos människan. Små syntetiska peptider som motsvarar dessa bindningsregioner hos curli visade sig kunna aktivera kontaktsystemet när de blandades med plasma (arbete III). Aktiveringen av kontaktsystemet på bakterierna med curli på sin yta visade sig även kunna aktivera koagulationen. Detta resulterade i ett fibrin nätverk som omgav bakterierna, samt frisättning av så kallade fibrinopeptider som i en djurmodell visade sig kunna orsaka inflammation (arbete IV). Resultaten av mina studier indikerar att bakterier genom att aktivera kontaktsystemet på sin yta skulle kunna utnyttja till exempel bradykininets förmåga att öppna upp blodkärlen. Härigenom skulle bakterierna kunna få näring från plasma som flödar in i vävnaderna eller kunna sprida sig från vävnaden ut i blodbanan. Även en aktivering av koagulationssystemet på bakterieytan kan resultera i fördelar för bakterien. Ett täckande fibrinlager skulle till exempel kunna skydda mot immunsystemets angrepp. En allvarlig infektion med dessa bakterier kan också leda till överdriven frisättning av inflammatoriska substanser, som cytokiner och fibrinopeptider, samt produktion av chock-framkallande ämnen, som till exempel bradykinin, vilket kan resultera i livshotande tillstånd som septisk chock med koagulationsstörningar.

• author: Persson, Kristin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr. Mejers, Joost C.M., Amsterdam , The Netherlands
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• keywords: General biomedical sciences, Biomedicinska vetenskaper (allmänt), sepsis, infection, S. aureus, S. typhimurium, E. coli, curli, fibrinopeptides, fibrinogen, Coagulation, contact system
• pages: 98 pages
• defense location: Rune Grubb salen, BMC, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2003-10-03 09:30:00
• ISBN: 91-628-5744-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: 1. Persson, K., Mörgelin, M., Lindbom, L., Alm, P., Björck, L., and Herwald, H. (2000) Severe lung lesions caused by Salmonella are prevented by inhibition of the contact system. Journal of Experimental Medicine 192 (10), 1415-1424 Article: 2. Mattsson, E., Herwald, H., Cramer, H., Persson, K., Sjöbring, U., and Björck, L. (2001) Staphylococcus aureus induces release of bradykinin in human plasma. Infection and Immunity 69 (6), 3877-3882 Article: 3. Olsén, A., Herwald, H., Wikström, M., Persson, K., Mattsson, E., and Björck, L. (2002) Identification of two protein-binding and functional regions of curli, a surface organelle and virulence determinant of Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry 277 (37), 34568-34572 Article: 4. Persson, K., Russell, W., Mörgelin, M., and Herwald, H. (2003) The conversion of fibrinogen to fibrin at the surface of curliated Escherichia coli bacteria leads to the generation of proinflammatory fibrinopeptides. Journal of Biological Chemistry 278 (34), 31884-31890
• id: 813acfc7-ec97-4246-89b7-a956327ff47a (old id 466132)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:00:11
• date last changed: 2018-11-21 20:56:09