Interactions of human C4BP with Bordetella pertussis and Streptococcus pyogenes

Abstract

Many microorganisms have developed mechanisms to protect themselves against attack from the complement system of the host. One possible mechanism for a microorganism to evade complement attack is to bind a human complement regulator, which may allow the microorganism to down-regulate complement activation. This thesis describes studies of such interactions between human C4b-binding protein (C4BP), a complement regulator present in plasma, and two bacteria pathogenic for humans: <i>Bordetella pertussis</i> and <i>Streptococcus pyogenes</i>.



All clinical isolates of <i>B. pertussis</i>, the etiologic agent of whooping cough, were shown to bind C4BP. The binding was found to be dependent on at least two different surface components, one of which is the virulence factor filamentous hemagglutinin (FHA). The region in C4BP that binds <i>B. pertussis</i> is very similar, but not identical, to the region used by the natural ligand C4b.



Many, but not all, strains of <i>S. pyogenes</i> bind C4BP. The binding is due to M proteins, a group of surface proteins important for virulence. The binding site in C4BP for M proteins was studied and found to overlap with the binding site for C4b. Thus, two very different pathogens, <i>B. pertussis</i> and <i>S. pyogenes</i>, bind to the same region in C4BP as the natural ligand C4b.



The M proteins of <i>S. pyogenes</i> are characterized by the presence of a hypervariable region (HVR), which allows the bacteria to evade host immunity due to antigenic variation. The HVR is required for the ability of <i>S. pyogenes</i> to resist phagocytosis, but the mechanism of action of the region has remained unknown. Previously, it has been demonstrated that C4BP binds to the HVR, but evidence has been lacking that bacteria-bound C4BP plays a role in phagocytosis resistance. A functional study presented in this thesis provided several lines of evidence that C4BP indeed contributes to phagocytosis resistance. Our data provide the first molecular explanation for the ability of an HVR to confer resistance to phagocytosis.



We found that isolated HVRs retain the ability to bind C4BP, allowing direct characterization of the C4BP-binding HVRs. Synthetic peptides/HVRs with very little residue identity were found to bind C4BP with high specificity and computational modeling suggested that they have similar folds. However, the C4BP-binding HVRs were immunologically completely unrelated. These data show that a bacterial protein domain can exhibit extreme variability with regard to sequence and immunological properties, while retaining the ability to bind a ligand with high specificity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

För att skydda sig mot infektioner har människan ett välutvecklat immunförsvar. I immunförsvaret ingår många olika celler och proteiner (äggviteämnen). Till exempel finns det celler som producerar antikroppar som specifikt känner igen bakterier och virus som en människa har utsatts för vid en tidigare infektion. Det finns också speciella celler som kan fagocytera (äta upp) exempelvis bakterier, särskilt om dessa bakterier har blivit ”märkta” med antikroppar eller s.k. komplementproteiner. Komplementproteinerna ingår i komplementsystemet, även det en viktig del av människans immunförsvar. Förutom att ”märka” främmande celler som bakterier så att fagocyter (ätarceller) känner igen dem, kan komplementsystemet ibland göra hål i den främmande cellen så att den dör.



Komplementsystemet skulle lätt kunna ställa till med stor skada i kroppen om vi inte också hade flera hämmande proteiner som ser till att komplementsystemet inte aktiveras på våra egna celler. Ett av dessa hämmande proteiner är C4BP som studerats i denna avhandling.



De senaste årens forskning har visat att många bakterier kan ”stjäla” vissa humana komplement-hämmande proteiner och binda dem till sin yta. Man tror att bakterien på så vis kan undvika attack från komplementsystemet och fagocytos. I denna avhandling studeras två sådana interaktioner, nämligen bindningen av komplementhämmaren C4BP till bakterierna <i>Bordetella pertussis</i> och <i>Streptococcus pyogenes</i> (Grupp A streptokocker). <i>B. pertussis</i> och <i>S. pyogenes</i> hör till våra viktigaste sjukdomsalstrande bakterier men skiljer sig helt beträffande uppbyggnad av cellvägg etc. Att två så olika bakterier båda har förmåga att binda C4BP tyder på att denna egenskap är viktig för bakteriens förmåga att orsaka sjukdom.



I två arbeten studerades de bakteriebindande ytorna i C4BP. Det verkar som om både <i>B. pertussis</i> och <i>S. pyogenes</i> till stor del använder sig av samma bindningsyta i C4BP som definierats för det humana komplementproteinet C4b (arbete II och III).



Vi fann att alla stammar av <i>Bordetella pertussis</i>, kikhostebakterien, har förmåga att binda C4BP. <i>B. pertussis</i> uttrycker på sin yta flera proteiner som bidrar till förmågan att orsaka sjukdom och dessa proteiner kontrolleras av en enda gen, <i>bvg</i>-genen. Våra studier har visat att bindningen av C4BP till <i>B. pertussis</i> sannolikt beror på två <i>bvg</i>-kontrollerade proteiner. Det ena av dessa proteiner är ett hittills okänt protein, medan det andra är FHA, en av <i>B. pertussis</i> viktigaste ytstrukturer och en av komponenterna i de nya kikhostevaccin som lanserats de senaste åren (arbete I). Det visade sig också att C4BP bundet till <i>B. pertussis</i> har kvar sin komplementhämmande förmåga (arbete II).



Grupp A streptokocker eller <i>S. pyogenes</i>, på senare år även känd som ”mördarbakterien”, orsakar bl. a. de vanliga sjukdomarna halsfluss och svinkoppor, men kan även ge upphov till livshotande chocksyndrom. För att kunna orsaka sjukdom, och undvika attack från immunsystemet och komplementsystemet, uttrycker <i>S. pyogenes</i> flera olika ytproteiner. De viktigaste anses vara de s.k. M-proteinerna, som motverkar fagocytos och är nödvändiga för bakteriens förmåga att tillväxa i blod.



En karakteristisk egenskap hos M-proteiner är att de har en hypervariabel del som ser helt olika ut hos olika typer av M-protein. Denna hypervariabla del gör att man inte blir immun efter en streptokockinfektion, utan kan infekteras av en bakterie med en annan typ av M-protein, med en annorlunda hypervariabel del. Antikroppar riktade mot denna region på M-proteiner är opsoniserande, dvs gör att bakterien blir känslig för fagocytos och avdödas. Någon specifik funktion för denna viktiga del av M-proteinet var länge okänd, tills man fann att många M-proteiner binder C4BP via den hypervariabla regionen.



I två arbeten (IV och V) analyserades bindningen av C4BP till M-proteiner. I arbete IV visar vi att opsoniserande antikroppar, riktade mot den hypervariabla regionen, hämmar bindningen av C4BP. Detta fynd kan förklara varför endast antikroppar riktade mot den hypervariabla delen av M-proteiner ger fagocytos. I detta arbete presenteras också andra fynd som tyder på att just C4BP bidrar till <i>S. pyogenes</i> förmåga att undvika fagocytos. Denna studie innebär att vi för första gången kan ge en molekylär förklaring till hur den hypervariabla regionen i M-proteiner bidrar till att motverka fagocytos.



Att en del i ett protein är hypervariabel är oftast ett uttryck för s.k. antigen variation, som medför att antikroppar från tidigare infektioner inte känner igen ett ytprotein hos en mikroorganism. Som modellsystem för antigen variation studerade vi hypervariabla delar från flera M proteiner (arbete V). Detta blev möjligt genom vårt fynd att dessa hypervariabla delar kunde studeras i isolerad form, som s.k. syntetiska peptider. Trots att de band C4BP med mycket hög specificitet, och förutsades ha liknade struktur, uppvisade de isolerade hypervariabla regionerna nästan ingen sekvenslikhet eller immunologisk korsreaktivitet. Dessa fynd visar att en region i ett bakterieprotein kan uppvisa extrem variabilitet vad det gäller sekvens och immunologiska egenskaper, men ändå specifikt bevara förmågan att binda ett protein från människa.

• author: Berggård, Karin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Meri, Seppo, Department of Bacteriology and Immunology, University of Helsinki, Finland
• organization: Dermatology and Venereology (Lund)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: M protein, antigenic variation, phagocytosis resistance, complement, C4b-binding protein (C4BP), Bordetella pertussis, Streptococcus pyogenes, Microbiology, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 134 pages
• defense location: Segerfalkssalen, Wallenberg Neurocentrum, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2001-10-27 10:15:00
• ISBN: 91-628-4957-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6ac2d835-71da-49e2-827e-53a64e370adf (old id 41940)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:33:26
• date last changed: 2018-11-21 21:05:37