Tissue tropism among group A streptococci - importance of bacteria associated proteolytic activity

Abstract

Group A streptococcus (GAS) is one of the most common of bacterial pathogens infecting humans, frequently causing throat and skin infection. Some GAS strains have surface-expressed virulence factors called M proteins that bind human plasminogen with high affinity. Plasminogen is a central component of the human fibrinolytic system, and is bound by an M protein termed PAM through defined binding motifs called a-repeats. We show that PAM and secreted streptokinase that activates plasminogen to active plasmin are the key factors for the generation of surface-bound plasmin activity. An epidemiological correlation between the plasminogen-binding PAM-like phenotype and strains with a genotype associated with skin infection was found. Both streptokinase and PAM were tested for their role in virulence in a mouse model mimicking human impetigo and bacteria deleted for expression of these factors showed reduced capacity for in vivo reproduction and induction of pathological changes. The group of strains that were prone to cause skin infection was also found to produce larger amounts of a secreted cysteine protease, SpeB, as compared to strains that are associated mainly with throat infection. Using the mouse model for impetigo we were able to demonstrate that SpeB is important for virulence. In summary, our studies indicate that bacteria-generated proteolytic activity may affect the tissue tropic characteristics of GAS infection of the skin or the throat.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bakterier av arten Streptococcus pyogenes kallas på svenska för grupp A streptokocker (GAS). Bakterien kan finnas hos människan utan att orsaka sjukdom (bärarskap) men också orsaka sjukdomar som t.ex. halsfluss och svinkoppor som även kallas impetigo. Detta är relativt milda infektioner men bör behandlas med antibiotika eftersom det kan uppstå följdsjukdomar en tid efter infektionen även om den läker ut av sig själv. Dessa följdsjukdomar kallas reumatisk feber, som påverkar bl.a. hjärtklaffar och leder, samt glomerulonefrit som framför allt stör njurarnas funktion. Grupp A streptokocker kan även i sällsynta fall ge upphov till mycket allvarliga sjukdomstillstånd där infektionen snabbt sprids vilket kan leda till döden. Dessa tillstånd kallas för nekrotiserande fascit och toxiskt chocksyndrom.



Det finns över 100 kända stammar av grupp A streptokocker och en infektion med en av dessa kan leda till immunitet mot den stammen men inte mot övriga varianter. Grupp A streptokocker kan bara leva och spridas genom att infektera människor och dessa bakterier är väl anpassade för just detta ändamål. Detta vet man bl.a. genom att proteiner från GAS specifikt kan binda eller påverka proteiner eller andra strukturer hos människan.



Epidemiologiska studier där man har samlat bakterier från fall av halsfluss och impetigo i avgränsade geografiska regioner har visat att vissa stammar oftare än andra orsakar antingen hals eller hud infektion. Man indelar därför ibland GAS i grupper av hals- respektive hudstammar. Fenomenet att vissa bakterier är anpassade för att leva i en specifik nisch hos sin värd är vanligt och kallas för vävnadstropism. Vidare har man kunnat visa att bakterier i respektive grupp har gemensamma genetiska egenskaper. Genom att undersöka olika DNA-sekvenser för likheter eller olikheter kan man alltså identifiera i princip alla kända GAS såsom tillhörandes en av fem s.k. chromosomal patterns (pattern A, B, C, D, och E). Dessa ”kromosom mönster” representerar den utveckling och förändring alla GAS har genomgått i sin evolution tillsammans med människan. Det är troligt att dessa grupper har speciella egenskaper som gör dem mer lämpade för att infektera antigen huden eller halsen.



Denna avhandling fokuserar på tre olika proteiner som vissa GAS stammar kan bilda. Dessa är M proteinet PAM, streptokinase samt ett s.k. cystein proteas som kallas för SpeB. De har alla gemensamt att de indirekt eller direkt kan medverka till bildandet av s.k. proteolytisk aktivitet i närheten eller på ytan av bakterien. Proteolys innebär nedbrytning eller klyvning av proteiner och grundantagandet är att sådan aktivitet är viktig för bakteriens förmåga att orsaka sjukdom. Syftet har varit att undersöka om och hur dessa bakterieproteiner påverkar vissa stammars förmåga att etablera infektion i huden samt om de kan kopplas till vävnadstropism hos GAS.



Både PAM och streptokinase har förmåga att påverka det mänskliga systemet för upplösning av blodproppar som kallas för det fibrinolytiska systemet. När ett blodkärl skadas startas genast en process som leder till att blodet levrar sig så att kärlskadan tillfälligt lagas. Levrat blod består bl.a. av fibrin som bildar det nätverk av fibrer som utgör stommen i blodproppen. För att reparera skadan aktiveras senare även det fibrinolytiska systemet som löser upp blodproppen. Huvudkomponenten i detta system heter plasminogen och när det aktiveras bildas plasmin. Plasmin i sin tur kan bryta ned fibrinet i blodproppar men kan även påverka andra processer som deltar i omstrukturering av vävnaden runt skadan. Det är sedan länge känt att GAS utsöndrar streptokinase och att detta protein genom att aktivera plasminogen kan sätta igång det fibrinolytiska systemet. Streptokinase används inom vården för behandling av hjärtinfarkt just p.g.a. denna egenskap. Vidare har det tidigare visats att PAM kan binda starkt till plasminogen. Denna interaktion har beskrivits väl och den region av PAM som binder plasminogen är definierad och även var i plasminogen-molekylen som PAM binder in till. Det av grupp A streptokocker utsöndrade proteinet SpeB är ett cysteine protease. Proteaser har som funktion att bryta ned eller klyva andra molekyler. SpeB har bl.a. visats kunna bryta ned proteiner som ingår i bindväven hos människa men har även potential att påverka både inflammation och immunförsvar bl.a. genom att det kan bryta ned antikroppar. Det finns många fynd som visar på ett otal potentiella funktioner för SpeB, vilket i grunden troligen beror på att det är ett ganska ospecifikt proteas. De exakta rollerna SpeB, PAM och streptokinase spelar under infektioner är fortfarande oklar.



Delarbeten I-IV



I det första arbetet undersöker vi de komponenter som är nödvändiga för att GAS ska kunna bilda ytbundet plasmin. Vi visar här att den plasminogen bindande regionen i PAM samt utsöndrat streptokinase är nödvändiga för detta. I nästa arbete visar vi att det finns ett statistiskt samband mellan stammar som binder plasminogen bra samt bär på en gen som är associerad till PAM och den grupp bakterier som framför allt infekterar huden och ger upphov till impetigo. I det tredje arbetet undersöker vi om PAM respektive streptokinase är av betydelse vid infektion i en djurmodell för impetigo. Genom att slå ut generna för PAM respektive streptokinase visar vi att förmågan att etablera infektion och orsaka skada i samband med denna minskar hos de muterade bakterierna. Vi visar även att förmågan att binda plasminogen och aktivera detta försvinner då PAM eller streptokinase inte längre bildas. I det fjärde och sista arbetet använder vi samma djurmodell för att undersöka vilken roll SpeB spelar vid hudinfektion. Vi visar att den grupp av stammar som vanligtvis infekterar huden producerar mer SpeB än övriga grupper. Vidare tappar GAS förmågan att etablera infektion i modellen då de manipulerats genetiskt för att inte längre bilda SpeB. Sammanfattningsvis har vi undersökt faktorer som kan påverka GAS förmåga att överleva och etablera ytliga infektioner i huden. Fynden är viktiga eftersom mildare former av infektion är mycket vanligt och alltså troligen är ett nödvändigt steg för bakteriens överlevnad och vidare spridning till nya värdar. Arbetet kan även ha betydelse för en bättre förståelse av det fibrinolytiska systemet samt för kunskap om bakteriell vävnadstropism.

• author: Svensson, Mikael Dag
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Wessels, Michael R., Channing Laboratory, Brigham and Women´s hospital, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts, USA
• organization: Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Endocrinology and Diabetes
• keywords: cysteine protease, plasminogen, M protein, Streptococcus pyogenes, tissue tropism, Microbiology, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 130 pages
• defense location: Segerfalkssalen
• defense date: 2002-09-20 09:15:00
• ISBN: 91-628-5263-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Ringdahl, U., Svensson, M., Wistedt, A.C., Renne, T., Kellner, R., Muller-Esterl, W. and Sjöbring, U. (1998) Molecular co-operation between protein PAM and streptokinase for plasmin acquisition by Streptococcus pyogenes. Journal of Biological Chemistry 273:6424-30. Article: II. Svensson, M.D., Sjöbring, U. and Bessen, D.E. (1999) Selective distribution of a high-affinity plasminogen-binding site among group A streptococci associated with impetigo. Infection and Immunity 67(8):3915-20. Article: III. Svensson, M.D., Sjöbring, U., Luo, F., and Bessen, D.E. (2002) Role of the plasminogen activator streptokinase and plasminogen-associated M protein in an experimental model for streptococcal impetigo. Submitted to Microbiology. Article: IV. Svensson, M.D., Scaramuzzino, D.A., Sjöbring, U., Olsén, A., Frank, C. and Bessen, D.E. (2000) Role for a secreted cysteine proteinase in the establishment of host tissue tropism by group A streptococci. Molecular Microbiology 38(2):242-53.
• id: ad035303-6eba-42ef-ae87-81a760c11064 (old id 464771)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:26:56
• date last changed: 2018-11-21 20:58:49