Propionibacterium acnes and its phages

Abstract

Microorganisms are everywhere! They can tolerate many diverse extreme environments, such as the human body. Even though many of us might associate the word microorganism with infections and disease, most are actually either harmless or even beneficial for us. Those commensals often fight off more dangerous bacteria and might also directly benefit their host. The human skin harbors several different microorganisms, with Propionibacterium acnes being one of the most common bacteria. This Gram-positive anaerobe has long been attributed as the cause of acne vulgaris, and is known to cause severe inflammations on orthopedic implants. However, like most bacteria, P. acnes can be infected by specific bacterial viruses, eg. bacteriophages. If those can contribute to the progress of the diseases mentioned is unknown.



In this thesis we have investigated the role of P. acnes as both a pathogen and a commensal, and characterized the phages infecting P. acnes. To undertake those studies, we first had to develop a genetic toolbox to better be able to characterize the bacteria and their phages, since there is a huge lack of molecular tools for the study of P. acnes (Paper I). Furthermore, we found that P. acnes that caused inflammations on orthopedic implants had a higher capacity to form biofilms, than did strains isolated from the skin. Thus, the ability to form biofilm seems to be a characteristic of invasive isolates (Paper II). Even though unwanted on orthopedic implants, we found that colonization by P. acnes on the human skin is beneficial for its host. This is due to that P. acnes secretes a heme-oxygenase that protects our cells against free radicals, and increase the viability of the skin cells (Paper III). Furthermore, we characterized several bacteriophages that could infect P. acnes. Those phages had a high capacity to infect and lyse P. acnes (Paper IV). Finally, the sequencing of two of the phages revealed that the phages were not able to integrate their DNA into its host chromosome, but instead, most likely had a pseudolysogenic relation with their host (Paper V).



In summary, this thesis can conclude that P. acnes is commonly infected by phages, living in a pseudolysogenic relation. Furthermore, colonization by P. acnes might prove both beneficial and harmful for the host, all depending on the site of colonization.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mikroorganismer finns överallt! De klarar av att överleva i extrema miljöer, extrema pH, extrema temperaturer och kan motstå strålning och gift i doser som vi inte skulle överleva. Framförallt klarar mikroorganismer av att överleva i en specifik extrem miljö - människan. Hundratals olika mikroorganismer bor på och i oss, i ett antal som långt överskrider vårt eget cellantal.



Mikroorganismer är ett samlingsnamn för flera olika typer av små (’mikro’) organismer, som bakterier och virus. Många av oss associerar nog dessa med infektioner och olika sjukdomar, vilket också ett fåtal orsakar. Men tvärtemot vad man kan tro är de flesta bakterier ofarliga, och till och med gynnsamma, genom att de hjälper oss att ta upp näring i tarmarna och skyddar oss mot farligare bakterier. Dessa bakterier tillhör vår normalflora och har en stor del i vårt välbefinnande.



Vår hud har flera olika bakterier. Några av de vanligare bakterierna är Propionibakterier, Stafylokocker och Streptokocker. Många av oss kan ha dessa på vår hud utan att de ger några symptom, då de tillhör normalfloran. Men, då tillfälle ges kan även dessa bakterier orsaka opportunistiska infektioner. Detta sker framförallt om vårt försvar mot dem på något sätt är påverkat, genom exempelvis sår (skador eller kirurgiska ingrepp) eller vid nedsatt immunförsvar.



En av de hudbakterier som oftast är inblandad i opportunistiska infektioner är Propionibacterium acnes. Bakterien kallades ursprungligen

för Bacillus acnes eftersom den var stavformad (Bacillus-lik) och isolerades från acne. Fastän bakterien isolerades från acne för mer än 100 år sedan råder det fortfarande tveksamheter kring om P. acnes verkligen är orsaken bakom utvecklandet av sjukdomen. Anledningarna till detta är många. Först och främst är vi alla koloniserade av P. acnes utan att utveckla några sjukdomar. Därför hävdar många att en isolering av P. acnes från huden enbart är en kontaminering av provet. Vidare är P. acnes svår att arbeta med av två anledningar. Dels växer P. acnes långsamt och behöver leva i en miljö utan syre. Dels finns väldigt få metoder utvecklade för att studera denna bakterie.



Intresset för denna bakterie har på de senaste åren ökat drastiskt. Fortfarande är intresset stort för den potentiella rollen av P. acnes i utvecklingen av acne. Men senare forskning har även pekat på att P. acnes har en stor roll vid ledimplantatsinflammationer, där ett byte av implantat ofta är nödvändigt för att bli av med infektionen då dessa bakterier ofta är väldigt resistenta mot antibiotika. Detta beror på att bakterien kan bilda ett tjockt lager av socker kring sig (biofilm), som ett pansar som skyddar P. acnes mot antibiotikan. Där kan bakterierna ligga i flera månader till år utan att orsaka någon skada, för att sedan skapa en inflammation. Vidare tyder forskning på att P. acnes kan vara delaktig i utvecklingen av prostatacancer.



Trots ett ökat intresse för att studera denna opportunistiska bakterie, var möjligheten till detta begränsad, då det saknades flera nödvändiga verktyg för detta. Därför utvecklade vi flera verktyg för att på ett enkelt sätt kunna studera hur delar av bakterien kunde medverka till att utveckla sjukdom (Paper I). Dessa verktyg består av två plasmider, som är cirkulärt DNA. Dessa plasmider är konstruerade till att fungera som fabriker i P. acnes och producera olika protein som önskas studeras. Då studier av proteiner i bakterier är en av de grundläggande sätten för att utvärdera hur en bakterie orsakar sjukdom, kommer dessa verktyg att underlätta studier av P. acnes i framtiden.



Då P. acnes var så vanligt förekommande vid inflammationer kring ledimplantat, isolerade vi flera av dessa stammar och undersökte vad som skiljde dem från de P. acnes som vi hade på huden. Vi fann då att de P. acnes som hade förmåga att orsaka protesinflammationer alla kunde bilda mer biofilm än de bakterier som isolerades från huden (Paper II). I övrigt hittades inga skillnader mellan de två grupperna av bakterier, och vi kunde fastslå att den troligtvis viktigaste faktorn för att P. acnes orsakade protesinflammationer berodde på dess förmåga att bilda biofilm.



Bortsett från att vara förmögen att orsaka sjukdom bär de flesta av oss på P. acnes utan att bli sjuka. Därför är en rimlig tanke att dessa bakterier också kan vara nyttiga för oss, men på vilket sätt de potentiellt skulle kunna skydda oss har inte utretts. Vi valde att studera ett protein som P. acnes producerar i stora mängder. Detta protein är ovanligt, för det liknar inget hittills undersökt protein i andra bakterier. Därför slogs vi av tanken att detta protein potentiellt kunde vara av stor betydelse för bakteriens interaktion med oss (Paper III). Det visade sig att detta protein, vidare kallat RoxP, kunde skydda våra hudceller mot reaktiva syreradikaler som bildas bland annat av UV-ljus. Hudceller som behandlades med RoxP mådde mycket bättre än celler som inte hade fått RoxP. Detta indikerar att för en frisk person är kolonisering av P. acnes viktigt, då detta bidrar till att skydda vår hud. Därför är det viktigt att inte behandla ospecifikt (eg antibiotika) mot P. acnes om inte denna är upphovet till infektionen.



Men P. acnes är inte ensam på spelplanen. Motståndarlaget har en minst lika bred trupp av spelare, och är svurna fiender till P. acnes. Mötena dem sinsemellan brukar alltid resultera i vinst åt något av hållen, men kan även ge ett lika-resultat. Det handlar om bakteriofager. Virus som är ofarliga för oss, men som är dedikerade till att eliminera bakterier. Dessa bakteriofager har två principiellt olika spelarstilar. En av dem är anfallaren, som bara vill komma åt bakterien och förstöra för den. Lyckligtvis för bakterien känner den till ett och annat knep för att skydda sig mot dessa tacklingar.

Den andra spelartypen är mer utav en försvarsspelare. Han gillar att komma nära motståndaren och interagera med dem, även tillfälligt hjälpa dem, för att få motståndaren att känna sig ohotad. Sedan, då tillfälle ges, slår försvarsspelaren till med full kraft. Däremot kan bakterierna även klara sig ur dessa situationer genom olika försvar.



Då bakteriofager är kända för att kunna hjälpa bakterierna tillfälligt, var vi intresserade av att undersöka ifall P. acnes som kunde orsaka ledprotesinflammationer också i större utsträckning hade hjälp av bakteriofager (Paper IV). Vi fann att P. acnes i väldigt stor utsträckning hade bakteriofager (70%), men att där inte var någon skillnad mellan sjukdomsframkallande P. acnes och normalflora. Med andra ord, det verkade inte som om bakteriofagerna samspelade med P. acnes i sjukdomsprocessen. Vad vi däremot fann var att bägge lagen hade olika kvaliteter på sina spelare. En del bakteriofager kunde spela anfallare mot nästan alla bakterier med framgång, medan vissa fager enbart kunde dribbla bort ett fåtal motståndare. På samma sätt var kvaliteten i bakterielaget varierande. Medan vissa kunde försvara sig mot nästan alla fagernas anfallare, förutom deras stjärnspelare, borde många av de andra snarare sitta på utbytarbänken då de blev bortdribblade i varje anfall.



Även om det inte verkade som om bakteriofagerna kunde hjälpa P. acnes, bestämde vi oss för att granska detta mer, genom att undersöka två av fagerna närmare. Detta bestod i att vi plockade fram deras DNA, och läste av det, för att se om de hade någon förmåga att hjälpa bakterierna (Paper V). Genom detta fann vi att dessa bakteriofager inte verkar kunna samspela med bakterierna. Däremot kom vi fram till att dessa bakteriofager hade en märklig ”spelstil”, då de inte var strikta anfallare, men inte heller strikta försvarare. Inte enbart var deras spelstil annorlunda, dessutom var deras DNA olikt DNA från andra bakteriofager.



Sammanfattningsvis har jag i denna avhandling utvecklat verktyg för att bättre och lättare kunna studera P. acnes. Denna bakterie har både positiva och negativa egenskaper. Positiva genom att den hjälper vår hud att må bra, men negativa då den genom att bilda biofilmer medverkar till inflammation av proteser. Men P. acnes är inte ensam på spelplanen, utan har motståndare i form av bakteriella virus, så kallade bakteriofager. Dessa bakteriofager är vanliga hos P. acnes, men verkar inte bidra till att göra bakterien farligare.

• author: Lood, Rolf
• supervisor: Mattias Collin; Matthias Mörgelin; Inga-Maria Frick
• opponent: Dr. Brüggemann, Holger, Department of Molecular Biology, Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin, Germany
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Clinical Medicine
• keywords: Propionibacterium acnes, biofilm, bacteriophage, Siphovirus, pseudolysogeny, heme oxygenase, free radicals, recombinant protein expression, vector
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2011:94
• pages: 171 pages
• defense location: Segerfalksalen, Biomedical Center, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2011-10-07 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86871-43-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 99189746-39af-4a5a-baea-8682b3851424 (old id 2155119)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:23:25
• date last changed: 2023-04-18 20:37:40