Functional, structural and evolutionary studies on a family of bacterial surface proteins

Abstract

This thesis is concerned with a family of bacterial surface proteins expressed by different strains of the anaerobic Gram-positive, commensal and human pathogen Peptostreptococcus magnus. These proteins have been studied with respect to their role in virulence, function, structure, and evolution. Strains isolated from patients with vaginosis have previously been shown to be associated with expression of the immunoglobulin (Ig) light chain-binding protein L. Here it was shown that binding of human serum albumin (HSA) is associated with localised suppurative infections; such as wound infections and abscesses. However, commensal strains bound neither IgG nor HSA. Studies of the binding of protein L to Ig of various mammalian species other than human, showed activity in 12 out of 23 Ig screened, mainly from primates and rodents, stressing the versatility of protein L as a immunochemical tool. Protein PAB, a novel HSA-binding protein was isolated from P. magnus and characterised. The gene sequence revealed homology of the HSA-binding domain to the HSA-binding regions of the group G streptococcal protein G. This was taken to be the first contemporary example of module shuffling. The HSA-binding motif (the GA module) of 45 amino acid residues was cloned and expressed in E. coli and the secondary structure and global fold were determined by NMR and shown to be an antiparallel three-helix-bundle. A second HSA-binding protein, protein urPAB, was isolated from a strain showing less binding activity. This protein was the presumptive predecessor of protein PAB as it lacked the shuffled GA module. Proteins PAB, urPAB, L and another previously characterised protein L-like protein, shared common structural motifs, but differed in types and numbers of functional modules. They were taken to be homologues, making up a bacterial surface protein family. A detailed analysis of the corresponding genes revealed that a consensus sequence (recer) of 15 nucleotides flanked most of the various modules. The recer sequence was thought to play a role as a site for recombination in the evolution of this protein family via module shuffling. It was also shown that bacterial strains of different species, P. magnus and group G streptococci, that have incorporated the same HSA-binding module into their surface proteins exhibit substantially higher growth rates when the growth medium is supplemented with HSA. This finding also has implications for the function of other bacterial albumin-binding proteins, and suggests that the bacteria expressing this property experience a selective advantage.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hos människan lever en rad mikroorganismer som tillsammans utgör normalfloran. Normalfloran återfinns på alla kroppsytor, det vill säga huden och slemhinnorna i munnen, svalget, magsäcken, tunn- och tjocktarmen, vagina och urinrörsmynningen. Samspelet mellan människokroppen och mikroorganismerna utsätts dagligen för påfrestningar. En sådan naturlig påfrestning är de sjukdomsalstrande bakterierna och olika virus, de s.k. patogenerna, som ständigt försöker vinna mark och invadera kroppen. Alla bakteriers målsättning är att överleva och föröka sig. Skillnaden mellan normalflorans bakterier och patogenerna består i att patogenerna ofta rubbar den balans som råder mellan dem och värdorganismen - värd-parasit förhållandet. Rubbningen åstadkoms genom att patogenerna producerar så kallade "virulens faktorer", som oftast är proteiner. Somliga kan vara giftiga, toxiner, andra är enzymer som bryter ned vävnader och immunförsvar. Ytterligare en grupp av virulensfaktorer är proteiner som sitter på bakteriers yta och interagerar med värdorganismens celler eller blodproteiner, såsom antikroppar och albumin. Antikroppar produceras i stora mängder av immunförsvarets vita blodkroppar och används till att eliminera främmande ämnen eller organismer som kommer in i kroppen. Albumin finns i ännu större mängder i blodet (45g/l) och bidrar till att vidmakthålla blodvolymen samt transportera en mängd näringsämnen, såsom fettsyror, aminosyror och metalljoner. Till normalflorans bakterier hör en streptokockliknande bakterie som är anaerob, d.v.s. den tål inte syre; Peptostreptococcus magnus. På senare tid har det visat sig att peptostreptokocker är olika varandra. Vissa stammar kan övergå från att tillhöra normalfloran för att bli patogena och ge upphov till en bakteriell störning i vaginan kallad vaginos. Dessa stammar visade sig bära på ett protein som binder till humana antikroppar, protein L. Protein L är således sannolikt en virulensfaktor för de bakterier, som bidrar till vaginos. I denna avhandling studeras Protein L med avseende på interaktioner med olika slags humana antikroppar och antikroppar från olika djurslag (delarbete I). Detta är av intresse bl.a. för att protein L har en potential som immunkemiskt redskap inom forskning samt för behandling av vissa immunologiska sjukdomstillstånd. När vi isolerade andra peptostreptokockstammar som visade sig bära på ett albumin-bindande protein, skilde sig dessa också från normalflorestammarna genom att de gav upphov till djupa sårinfektioner. Det albumin-bindande proteinet, protein PAB, kunde renas fram från bakterieytan och karakteriseras. När genen för protein PAB sekvenerats visade den sig överraskande innehålla ett genfragment motsvarande en av de albumin-bindande regionerna i protein G, ett ytprotein från streptokocker (delarbete III). Streptokocker är vanligt förekommande patogener, som ger upphov till bl.a. halsfluss och rosfeber. Det överförda genfragmentet motsvarade en funktionell protein-domän, en s.k. modul. Denna protein-modul har också renats fram och dess veckning har bestämts med magnetspektroskopi (NMR), vilket visade att modulen har en specifik struktur (delarbete IV). Överföringen av moduler genom s.k. "module shuffling" har haft en avgörande betydelse för evolutionen av flercelliga organismer. Här visas således att även bakterier ägnar sig åt "module shuffling" för att förvärva nya egenskaper, i det här fallet albumin-bindning. Dessutom presenteras en modell för hur "module shuffling" gått till hos denna grupp av bakterier (delarbete V). Modellen kan också förklara hur andra bakterier utvecklar vissa nya egenskaper. Vi har under en längre tid använt antibiotika för att bota en rad infektionssjukdomar. Detta har inte bara påverkat de sjukdomsalstrande bakterierna, utan även normalfloran. Den antibiotika resistens som utvecklats och blivit ett allt större problem i sjukvården, härrör ofta från normalflorans bakterier, vilka överfört resistensen till patogenerna. De faktorer som överfört resistensen kan också ha bidragit till överföringen av den beskrivna protein-modulen från streptokocker till peptostreptokocker. Det vill säga att ett ökat antibiotika användande inte bara lett till ökad resistensutveckling hos patogena bakterier, utan att det också kan leda till att normalflorans bakterier blir patogena. I delarbete II visas att de streptokocker och peptostreptokocker som kan binda till sig albumin har snabbare tillväxt än motsvarande bakterier som inte förvärvat denna egenskap. De bakterier som kan binda albumin, skulle kunna tillgodogöra sig de näringsämnen som finns bundna till albuminet. Den ökade tillväxttakten kan förklara varför albumin-bindning utgör en virulensfaktor, en observation som också har betydelse för tolkningen av andra bakteriearters albumin-bindning. Dessa studier kring albumin-bindning hos Peptostreptococcus magnus har lett till flera oväntade och intressanta resultat som kan ha betydelse för vår förståelse av hur samspelet mellan människa och bakterier har utvecklats.

• author: de Château, Maarten
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Patthy, László, Institute of Enzymology, Hungarian Academy of Sciences, Budapest, Hungary
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: virologi, bakteriologi, Mikrobiologi, Peptostreptococcus magnus/protein L/Ig light chains/protein PAB/albumin-binding/GA module/bacterial genetics/module shuffling/multidomain proteins/protein evolution/virulence, mycology, virology, bacteriology, Microbiology, mykologi
• pages: 52 pages
• defense location: Lecture Hall A, Kemicentrum, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 1996-04-10 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMK--1052--SE
• ISBN: 91-628-1946-1
• language: English
• LU publication?: no
• id: ae8f000b-c03e-4cbe-a2be-fdb67a42e908 (old id 28267)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:34:14
• date last changed: 2018-11-21 20:59:31