Advanced

Pathogen-host interactions at the surface of Streptococcus pyogenes

Nyberg, Patrik LU (2005)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Det stora flertalet bakterier som människan kommer i kontakt med är helt ofarliga och i vissa fall även nyttiga, eller till och med nödvändiga för oss. De bakterier som orsakar sjukdom utgör således en liten minoritet, men åsamkar trots det stort lidande och höga kostnader i alla världens länder. En av de vanligaste sjukdomsframkallande bakterierna heter Streptococcus pyogenes eller grupp A streptokock. I Sverige får fler än hundratusen halsfluss varje år av grupp A streptokocker. Bakterien kan också orsaka svinkoppor hos barn och hudinfektionen rosfeber hos äldre. I sällsynta fall blir streptokockinfektioner mycket allvarliga, bakterierna kan sprida sig till blodet eller snabbt bryta ner en... (More)
Popular Abstract in Swedish

Det stora flertalet bakterier som människan kommer i kontakt med är helt ofarliga och i vissa fall även nyttiga, eller till och med nödvändiga för oss. De bakterier som orsakar sjukdom utgör således en liten minoritet, men åsamkar trots det stort lidande och höga kostnader i alla världens länder. En av de vanligaste sjukdomsframkallande bakterierna heter Streptococcus pyogenes eller grupp A streptokock. I Sverige får fler än hundratusen halsfluss varje år av grupp A streptokocker. Bakterien kan också orsaka svinkoppor hos barn och hudinfektionen rosfeber hos äldre. I sällsynta fall blir streptokockinfektioner mycket allvarliga, bakterierna kan sprida sig till blodet eller snabbt bryta ner en patients muskulatur. Dessa fall är livshotande, även om patienten snabbt kommer till sjukhus och får antibiotika. Samtidigt finns det många människor, framförallt barn, som har streptokocker i halsen utan att bli sjuka. I den här avhandlingen har jag undersökt några av faktorerna som påverkar hur grupp A streptokocker orsakar sjukdom.



Många bakterier har speciella proteiner på sin yta för att kunna häfta fast vid mänskliga vävnader. På grupp A streptokocker finns proteinet F1, som kan binda till sig ett mänskligt protein som heter fibronektin. Fibronektin finns i två olika varianter. Den ena varianten är en viktig beståndsdel i människans bindväv och den andra finns i blodet. Det har tidigare visats att streptokocker som har protein F1 och binder till sig fibronektin kan häfta fast vid mänskliga vävnader och celler, och även ta sig in inuti celler. Man har trott att streptokocker som kan binda till sig fibronektin och ta sig in i celler oftare orsakar allvarliga sjukdomar än streptokocker som saknar fibronektinbindande förmåga. Därför har det föreslagits att speciella mediciner som hindrar bakterierna från att ta sig in i celler skulle kunna vara användbara vid svåra streptokockinfektioner.



Tidigare har det inte genomförts några djurförsök där man jämför infektioner med streptokocker med och utan protein F1. Vi genomförde sådana försök och fick ett oväntat resultat; möss som blev infekterade med bakterier som hade protein F1 blev mindre sjuka än möss infekterade med bakterier utan protein F1 (delarbete I). Vi infekterade också genmodifierade möss som saknar fibronektin i blod och såg då att även dessa möss blev mindre sjuka när de infekterades av bakterier som hade protein F1. De blev dock sjukare än vanliga möss infekterade med dessa bakterier. Våra fynd visar att bakterier med protein F1 kan binda till fibronektin både i vävnaden och i blodet, samt att bindningen medför att streptokocker blir mindre benägna att orsaka allvarliga infektioner. En möjlig förklaring kan vara att bakterier som är bra på att häfta fast vid vävnader och celler stannar kvar lokalt och inte sprider sig vidare i kroppen.



Enzymer som klipper sönder proteiner kallas för proteinaser. Grupp A streptokocker utsöndrar ett proteinas som kallas SpeB, och i delarbete II undersökte vi om SpeB kan klippa bort protein F1 från bakterieytan och därigenom påverka bakteriens förmåga att binda till sig fibronektin. Vi fann att streptokocker som behandlades med SpeB inte längre kunda binda till sig fibronektin och följaktligen också blev sämre på häfta fast vid och ta sig in i mänskliga celler. Våra fynd tyder också på att det krävs mindre SpeB för att klippa bort protein F1 än för att klippa bort andra proteiner från streptokockens yta. SpeB produceras av streptokockerna när den omgivande miljön är fattig på näring. Enligt våra fynd kommer protein F1 då att klippas bort från bakterieytan och bakterien kan inte längre binda till sig fibronektin och inte längre häfta fast vid eller ta sig in celler. Vi tänker oss att det här kan vara ett sätt för streptokocker att, när näringstillgången minskas, sprida sig i kroppen till en mer näringsrik plats. Tillsammans med fynden i delarbete I skulle detta kunna innebära att SpeB gör att infektioner med grupp A streptokocker blir allvarligare genom att öka bakteriens förmåga till spridning.



I människokroppen finns det många olika proteinaser som är inblandade i viktiga biologiska förlopp såsom t.ex blodets koagulering. Men det finns en risk för att proteinaser angriper och förstör proteiner och vävnader urskiljningslöst, och därför finns det i människan andra proteiner som har till uppgift att oskadliggöra proteinaser. Ett av dessa proteiner heter ?2-makroglobulin och det fungerar ungefär som en bur, där proteinaser stängs in så de inte längre kommer åt att klippa sönder andra proteiner. Proteinaserna kan dock klippa sönder korta proteinbitar, så kallade peptider, som är små nog att komma in i buren. Grupp A streptokocker kan binda till sig ?2-makroglobulin och därigenom få ett skydd mot proteinaser som angriper bakterien.



I delarbete III undersökte vi om SpeB också kan stängas inne av ?2-makroglobulin och vad det kan ha för betydelse. Eftersom instängda proteinaser fortfarande kan klippa sönder peptider ville vi också studera om instängt SpeB kan klippa sönder en peptid som heter LL-37. LL-37 används av kroppen för att försvara sig mot bakterier och har visat sig kunna döda många olika typer av bakterier, däribland grupp A streptokocker. Vi fann att SpeB stängs in i ?2-makroglobulinburen och därigenom inte längre kan klippa sönder stora proteiner. Vidare visade vi att instängt SpeB klipper sönder LL-37 och att streptokocker som har ?2-makroglobulin med instängt SpeB på sin yta klarar sig från att bli dödade av LL-37. De här fynden skulle kunna förklara varför många bakterier antingen binder till sig ?2-makroglobulin, eller själva producer ett protein som är likt ?2-makroglobulin.



I delarbete IV undersöks en tidigare okänd funktion hos komplementsystemet. Komplementsystemet aktiveras hos människan vid infektion, och gör så att vita blodkroppar kan ta sig till platsen för infektionen, samt bidrar till att göra bakterierna ?aptitliga? så att de kan bli uppätna av de vita blodkropparna. I delarbete IV visas att det vid aktivering av komplementsystemet bildas en peptid som mycket effektivt kan döda bakterier. När en kortare men fortfarande aktiv variant av den här peptiden injiceras i möss som har infekterats med grupp A streptokocker sprider sig bakterierna sämre än om mössen får en inaktiv peptidvariant. Dessa fynd innebär att den bildade peptiden skulle kunna vara användbar som en ny antibakteriell medicin.



I avhandlingen har jag studerat processer som äger rum vid streptokockens yta, i mötet mellan bakterien och människan. Genom att kartlägga sådana processer får vi en ökad förståelse om hur bakterier orsakar sjukdom. Sådan kunskap är nödvändig för att utveckla nya behandlingsmetoder mot allvarliga infektioner och infektioner med antibiotikaresistenta bakterier. (Less)
Abstract
The bacterial surface can be thought of as the interface where pathogenic bacteria encounter the human host. Interactions between bacterial surface proteins and human proteins are important determinants of the eventual outcome of infection. A bacterial protein, Protein F1, that binds the human plasma and connective tissue protein fibronectin, was found to reduce the virulence of Streptococcus pyogenes in a mouse model of infection. Experiments with mice lacking plasma fibronectin indicate that interactions of Protein F1 with both plasma and cellular fibronectin reduce bacterial virulence.



S. pyogenes secretes a cysteine proteinase, SpeB, that was found to reduce bacterial fibronectin-binding by degrading Protein F1 at... (More)
The bacterial surface can be thought of as the interface where pathogenic bacteria encounter the human host. Interactions between bacterial surface proteins and human proteins are important determinants of the eventual outcome of infection. A bacterial protein, Protein F1, that binds the human plasma and connective tissue protein fibronectin, was found to reduce the virulence of Streptococcus pyogenes in a mouse model of infection. Experiments with mice lacking plasma fibronectin indicate that interactions of Protein F1 with both plasma and cellular fibronectin reduce bacterial virulence.



S. pyogenes secretes a cysteine proteinase, SpeB, that was found to reduce bacterial fibronectin-binding by degrading Protein F1 at the bacterial surface. Proteolytic reduction of fibronectin-binding resulted in reduced S. pyogenes adhesion and internalisation. Protein F1 was more sensitive to SpeB than M1 protein, and not protected from SpeB when in complex with fibronectin.



SpeB can degrade the antimicrobial peptide LL-37. It was shown that SpeB in complex with the human proteinase inhibitor ?2-macroglobulin could still degrade LL-37. ?2-macroglobulin-SpeB complexes bound to the surface of S. pyogenes via the bacterial surface protein GRAB protected the bacterium from killing by LL-37.



C3a, generated in the activation of the complement system, was shown to have antibacterial activity and a C3a-derived peptide protected mice against S. pyogenes infection. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • professor Flock, Jan-Ingemar, Inst f laboratoriemedicin, Karolinska Universitetssjukhuset, Huddinge.
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Infektioner, Infections, C3a, LL-37, antimicrobial peptide, GRAB, alpha-2-macroglobulin, proteolysis, SpeB, internalization, virulence, protein F1, Streptococcus pyogenes, fibronectin
pages
90 pages
publisher
KFS AB
defense location
Segerfalkssalen, Sölvegatan 17, Lund.
defense date
2005-01-14 09:15
ISBN
91-628-6390-8
language
English
LU publication?
yes
id
2fff07af-d6b8-4e4f-9bad-2abba7025e8f (old id 544170)
date added to LUP
2007-09-24 14:06:28
date last changed
2016-09-19 08:45:04
@misc{2fff07af-d6b8-4e4f-9bad-2abba7025e8f,
  abstract     = {The bacterial surface can be thought of as the interface where pathogenic bacteria encounter the human host. Interactions between bacterial surface proteins and human proteins are important determinants of the eventual outcome of infection. A bacterial protein, Protein F1, that binds the human plasma and connective tissue protein fibronectin, was found to reduce the virulence of Streptococcus pyogenes in a mouse model of infection. Experiments with mice lacking plasma fibronectin indicate that interactions of Protein F1 with both plasma and cellular fibronectin reduce bacterial virulence.<br/><br>
<br/><br>
S. pyogenes secretes a cysteine proteinase, SpeB, that was found to reduce bacterial fibronectin-binding by degrading Protein F1 at the bacterial surface. Proteolytic reduction of fibronectin-binding resulted in reduced S. pyogenes adhesion and internalisation. Protein F1 was more sensitive to SpeB than M1 protein, and not protected from SpeB when in complex with fibronectin.<br/><br>
<br/><br>
SpeB can degrade the antimicrobial peptide LL-37. It was shown that SpeB in complex with the human proteinase inhibitor ?2-macroglobulin could still degrade LL-37. ?2-macroglobulin-SpeB complexes bound to the surface of S. pyogenes via the bacterial surface protein GRAB protected the bacterium from killing by LL-37.<br/><br>
<br/><br>
C3a, generated in the activation of the complement system, was shown to have antibacterial activity and a C3a-derived peptide protected mice against S. pyogenes infection.},
  author       = {Nyberg, Patrik},
  isbn         = {91-628-6390-8},
  keyword      = {Infektioner,Infections,C3a,LL-37,antimicrobial peptide,GRAB,alpha-2-macroglobulin,proteolysis,SpeB,internalization,virulence,protein F1,Streptococcus pyogenes,fibronectin},
  language     = {eng},
  pages        = {90},
  publisher    = {ARRAY(0x65513e0)},
  title        = {Pathogen-host interactions at the surface of Streptococcus pyogenes},
  year         = {2005},
}