Surface proteins of pathogenic streptococci

Abstract

Streptococcus pyogenes (group A streptococcus) and the group B streptococcus (GBS) are two important human pathogens that cause different types of diseases and express different surface structures implicated in virulence. This thesis focuses on several surface proteins expressed by these pathogens, analyzing the biological function of these proteins and their ability to elicit protective immunity. R28 is a surface protein expressed by some strains of S. pyogenes isolated from cases of puerperal fever, suggesting that R28 may play a role in these infections. Molecular analysis of R28 showed that it is a novel member of a family of extremely repetitive surface proteins first identified through studies of the GBS proteins Rib and alfa. Like the Rib and alfa proteins, R28 was found to be a target for protective antibodies. Moreover, the R28 protein was found to act as an epithelial cell adhesin. Interestingly, the R28 and Rib proteins were shown to cross-react immunologically. This cross-reactivity was found to be surprisingly limited, but sufficient to confer cross-protective immunity between R28-expressing S. pyogenes strains and Rib-expressing GBS strains. Most GBS isolates express a polysaccharide capsule, which is the basis for serological typing of GBS. There are nine capsular serotypes of GBS, one of which, serotype V, has recently become increasingly important in GBS disease. Characterization of serotype V strains allowed identification of two novel GBS surface proteins, Fbs and “Rib-like”, which are targets for protective antibodies and therefore are interesting as possible components in a GBS vaccine. Interestingly, the “Rib-like” protein of type V strains was found to be closely related, if not identical, to the R28 protein of S. pyogenes. Both S. pyogenes and GBS express surface proteins that bind to the Fc part of human IgA. Little is known about the role of these interactions in pathogenesis. The IgA-binding proteins of S. pyogenes are M proteins, which are important virulence factors with antiphagocytic properties. The IgA-binding protein from GBS, the beta protein, is unrelated to the IgA-binding proteins from S. pyogenes. The binding site in IgA for the different streptococcal proteins was mapped to two hydrophobic loops in the Fc interdomain region. This region is also used by the human IgA-receptor CD89, an important mediator of IgA effector functions. In agreement with this result, the IgA-binding streptococcal proteins were found to inhibit binding of IgA to CD89. Thus, unrelated IgA-binding proteins from S. pyogenes and GBS bind the same region in IgA-Fc and may inhibit IgA effector function. The IgA-binding beta protein of GBS was found to contain a separate binding region for human factor H (FH), a plasma protein that regulates complement activation. Bacteria-bound FH retains its regulatory function, indicating that beta-expressing GBS may use FH to downregulate complement deposition and thereby inhibit phagocytosis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Grupp B streptokocker (GBS; Streptococcus agalactiae) är den vanligaste orsaken till livs-hotande infektioner hos nyfödda barn. Enbart i USA orsakar GBS ~10 000 fall av meningit (hjärnhinneinflammation), pneumoni (lunginflammation) och sepsis (blodförgiftning) varje år. Infektionerna har hög dödlighet och en stor del av de barn som överlever infektionerna får bestående neurologiska skador, som kan yttra sig i form av hörselskador och försämrad inlärningsförmåga. GBS finns normalt i den vaginala bakteriefloran hos ~20% av alla vuxna kvinnor och många barn exponeras därför för GBS i samband med födseln, vilket delvis kan förklara varför nyfödda barn drabbas av GBS infektion. GBS är en kapslad bakterie och det har visats att kapseln, som är uppbyggd av polysackarider, är en viktig virulensfaktor och ger upphov till skyddande immunitet. På basen av strukturella skillnader i kapseln delas GBS in i ett antal serotyper och hittills har nio olika serotyper beskrivits. Serotyp III stammar orsakar de flesta allvarliga GBS infektioner, men på senare år har även serotyp V stammar blivit vanliga. I USA pågår försök att framställa ett vaccin mot GBS baserat på de kapsulära polysackariderna, men på grund av möjliga problem med ett polysackaridvaccin vore ett GBS vaccin baserat på ytproteiner att föredra. Nästan alla kliniska GBS isolat uttrycker på sin yta proteiner som ger upphov till skyddande immunitet och därför är intressanta för vaccinutveckling och för studier av virulensmekanismer. Två av dessa protektiva ytproteiner, Rib och alfa, uttrycks hos de flesta kliniska GBS isolat och är därför lovande som vaccinkandidater. Rib och alfa tillhör samma proteinfamilj och har en extremt repeterad struktur.



Streptococcus pyogenes (grupp A streptokocker; GAS) är en av de viktigaste bakterierna som ger upphov till sjukdom hos människa. Denna bakterie orsakar en mängd olika sjukdomar, såsom tonsillit (halsfluss), impetigo (svinkoppor) och scarlatina (scharlakansfeber). S. pyogenes kan även ge upphov till ett toxiskt chock syndrom med hög dödlighet, en egenskap som på senare år gjort S. pyogenes känd som ”mördarbakterien”. De välkända epidemierna av barnsängsfeber, vilka orsakade många kvinnors död under tidigare sekler, orsakades också av S. pyogenes. Även S. pyogenes uttrycker ytproteiner som är intressanta för vaccinutveckling och virulensstudier. De mest kända ytproteinerna hos S. pyogenes tillhör M protein familjen, vars medlemmar har antifagocytära egenskaper och alltså hjälper bakterien att undkomma eliminering av fagocyter.



I denna avhandling presenteras ett antal arbeten där ytproteiner från GBS och S. pyogenes huvudsakligen har studerats med avseende på: 1) Struktur och biokemiska/immunologiska egenskaper, 2) Förmåga att ge upphov till skyddande immunitet och 3) Biologisk funktion, med speciellt fokus på interaktioner med humana plasmaproteiner.



I delarbete I analyserar vi ett ytprotein, kallat R28, som uttrycks av vissa S. pyogenes stammar. Våra studier av R28 sporrades av ett antal observationer som visar att S. pyogenes stammar som uttrycker R28 är överrepresenterade i fall av barnsängsfeber, en av historiens mest kända infektionssjukdomar. Korrelationen mellan uttryck av R28 och förmågan hos S. pyogenes att orsaka barnsängsfeber implicerar att R28 har en viktig roll vid uppkomsten av barnsängfeber. Vi valde därför att studera R28 i mer detalj. Vi renade R28 från ett bakterieextrakt och visar att det renade R28 är immunologiskt och biokemiskt besläktat med det ovan nämnda protein Rib från GBS. Sekvensanalys visar att R28 tillhör samma proteinfamilj som Rib och alfa från GBS. I en musmodell visar vi att antikroppar riktade mot R28 ger mössen skyddande immunitet mot letal infektion med R28-uttryckande S. pyogenes stammar. Vi visar också att R28 medierar adhesion av S. pyogenes till humana epitelceller från livmoderhalsen (cervix). Våra resultat visar att R28 sannolikt fungerar som virulensfaktor i vissa infektioner orsakade av S. pyogenes. Förmågan att mediera adhesion av S. pyogenes till humana cervix-celler stöder hypotesen att R28 kan bidra till bakteriens förmåga att orsaka barnsängsfeber.



Som nämnts ovan visar vi i delarbete I att protein R28 från S. pyogenes och protein Rib från GBS är immunologiskt besläktade. I delarbete II analyserar vi denna immunologiska släktskap i detalj och visar att släktskapen mellan R28 och Rib är begränsad. Trots att den immunologiska släktskapen mellan R28 och Rib är begränsad, är den tillräcklig för att ge upphov till korsprotektion mellan R28-uttryckande S. pyogenes stammar och Rib-uttryckande GBS stammar. Infektion med en art av bakterie skulle alltså kunna skydda mot infektion med en annan art.



Som ovan nämnts börjar serotyp V stammar bli en allt vanligare orsak till livshotande GBS infektioner hos nyfödda barn. I delarbete III analyserar vi serotyp V stammar och isolerar två nya ytproteiner, samt karakteriserar dem immunologiskt och proteinkemiskt. Analys av kliniska GBS serotyp V isolat visade att dessa proteiner uttrycks av 31% - 59% av stammarna. Vi visar att antikroppar riktade mot de nya proteinerna ger upphov till skyddande immunitet i en musmodell, vilket gör dem intressanta för vaccinutveckling mot GBS.



Både S. pyogenes och GBS uttrycker ytproteiner som binder till den s.k. Fc delen på immunoglobulin A (IgA), en antikropp som utgör en viktig del av immunförsvaret bl.a. på våra slemhinnor men även i blodet. De IgA-bindande ytproteinerna från S. pyogenes tillhör M protein familjen och är obeläktade med det IgA-bindande ytproteinet beta från GBS. Förmågan att binda IgA kan vara en virulensmekanism hos dessa två bakterier och därför valde vi att studera denna interaktion i detalj (delarbete IV). Vi kunde visa att de obesläktade IgA-bindande ytproteinerna från S. pyogenes och GBS binder till samma yta i IgA, närmare bestämt regionen mellan Calfa2 och Calfa3. Till denna region i IgA binder även den humana IgA-receptorn CD89, som uttrycks av fagocyter. En interaktion mellan IgA-Fc och CD89 inducerar flera viktiga elimineringsmekanismer, inklusive fagocytos och produktion av cytokiner, varför CD89 förmodligen har en viktig roll vid eliminering av invasiva mikroorganismer. Vi visar att de IgA-bindande bakteriella ytproteinerna hämmar interaktionen mellan IgA och CD89, en egenskap som kan interferera med IgA-molekylens effektorfunktioner och därmed vara viktig för bakteriens förmåga att undkomma eliminering av fagocyter. Vi har således identifierat en möjlig verkningsmekanism hos de IgA-bindande bakterie proteinerna, vars funktion länge varit okänd.



En annan viktig del av vårt immunförsvar är det så kallade komplementsystemet, som består av ett 30-tal proteiner vilka kan angripa oönskade mikroorganismer och bidra till elimineringen av dessa. För att komplementsystemet inte ska skada vår egen vävnad nedregleras komplementaktiveringen av ett antal kontrollproteiner. I delarbete V visar vi att GBS proteinet beta, vilket binder IgA, även binder faktor H (FH), ett blodprotein som nedreglerar komplementaktivering. FH bundet till ytan av GBS har kvar sin aktivitet som komplementregulator, vilket tyder på att beta-uttryckande GBS-stammar använder sig av FH för att undkomma eliminering via komplementsystemet.



Sammanfattningsvis beskriver avhandlingen en rad nya fynd rörande ytproteiner hos sjukdomsframkallande streptokocker, speciellt proteinernas interaktioner med olika komponenter i människans immunsystem samt deras roll för uppkomst av skyddande immunitet.

• author: Areschoug, Thomas
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Hollingshead, Susan K., The University of Alabama at Birmingham, Birmingham, Alabama, USA
• organization: Division of Medical Microbiology
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi, Microbiology, factor H, complement regulator, CD89, human IgA, protective immunity, surface protein, Streptococcus pyogenes, group B streptococcus
• pages: 134 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocenter, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2002-11-23 10:00:00
• ISBN: 91-628-5366-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Stålhammar-Carlemalm, M.*, T. Areschoug*, C. Larsson, and G. Lindahl. 1999. The R28 protein of Streptococcus pyogenes is related to several group B streptococcal surface proteins, confers protective immunity and promotes binding to human epithelial cells. Mol Microbiol 33:208-19.* These authors made equal contributions. Article: II. Stålhammar-Carlemalm, M., T. Areschoug, C. Larsson, and G. Lindahl. 2000. Cross-protection between group A and group B streptococci due to cross-reacting surface proteins. J Infect Dis 182:142-9. Article: III. Areschoug, T., M. Stålhammar-Carlemalm, C. Larsson, and G. Lindahl. 1999. Group B streptococcal surface proteins as targets for protective antibodies: identification of two novel proteins in strains of serotype V. Infect Immun 67:6350-7. Article: IV. Pleass, R. J.*, T. Areschoug*, G. Lindahl, and J. M. Woof. 2001. Streptococcal IgA-binding proteins bind in the Calfa2-Calfa3 interdomain region and inhibit binding of IgA to human CD89. J Biol Chem 276:8197-204.* These authors made equal contributions. Article: V. Areschoug, T., M. Stålhammar-Carlemalm, I. Karlsson, and G. Lindahl. 2002. Streptococcal beta protein has separate binding sites for human factor H and IgA-Fc.J Biol Chem 277:12642-8.
• id: 3430d7fc-c22e-4ece-b175-87c098e04aff (old id 465064)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:32:39
• date last changed: 2018-11-21 21:05:33