Mechanisms of phagocytosis resistance in Streptococcus pyogenes

Abstract

A distinguishing feature of Streptococcus pyogenes (GAS) is their ability to resist phagocytosis in whole human blood in the absence of type-specific antibodies, a property that is dependent on the expression of the surface associated M proteins. A common characteristic of M proteins is their interaction with a variety of host proteins including the complement regulatory protein factor H (FH) and fibrinogen that plays a key role in coagulation. Here, we report that GAS also interact with Factor H-like protein-1 (FHL-1), an alternative splice product of FH comprising the first seven short consensus repeats (SCRs) of the FH molecule. Furthermore, we have localised the binding site for the M protein in SCR 7 of FH and FHL-1. Although FH and FHL-1 are very similar, GAS, at a low bacteria to plasma ratio reminiscent of the physiological situation, selectively absorbed FHL-1 but not FH from plasma. Further analysis demonstrated a major binding site for FH/FHL-1 in the A- repeat region of the streptococcal M protein. Unexpectedly, deletion of this region in the M5 protein did not influence the ability of streptococci expressing this protein to resist phagocytosis in human blood. While the interaction with FH/FHL-1 is restricted to a certain subset of GAS strains, the binding of fibrinogen is common to all GAS strains. We mapped the fibrinogen-binding regions in the M1 and M5 proteins to the so-called B-repeats of these proteins. Furthermore, we could demonstrate that these regions contribute to streptococcal survival in human blood thereby suggesting that fibrinogen plays an important role for resistance against phagocytosis Traditionally, resistance against phagocytosis is correlated to the expression of the M proteins. However, we found, that the antiphagocytic property of M proteins is restricted by the genetic background of the strain expressing the particular M protein suggesting that phagocytosis resistance may require cooperation between M proteins and other strain-specific components.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Streptococcus pyogenes (GAS) är en viktig sjukdomsframkallande bakterie som orsakar alltifrån lindriga infektioner som halsfluss (tonsillit) och svinkoppar (impetigo) till livshotande djupa infektioner som nekrotiserande fasceit eller ”Toxic shock syndrom”. På grund av det snabba sjukdomsförloppet i de livshotande infektionerna har streptokockerna fått beteckningen ”mördarbakterier” i dagspressen. En viktig förutsättning för streptokockernas snabba tillväxt är deras förmåga att överleva i blod. Man har kunnat visa att denna så kallade fagocytosresistens beror på att streptokockerna har ett protein kallat M-protein på sin yta. En speciell egenskap hos dessa M-proteiner är deras förmåga att binda till olika proteiner som finns i människans blod/kropp. Denna bindning skulle kunna bidraga till fagocytosresistensen. I denna studien ville vi därför undersöka hur bindningen av proteinerna Faktor H och fibrinogen till M proteinet bidrar till streptokockernas resistens mot fagocytos. Faktor H tillhör komplementsystemet. Komplementsystemet är en viktig del av det mänskliga immunförsvaret. Detta system består av en mängd olika proteiner som tillsammans skyddar människan snabbt och effektivt mot infektioner. Aktiveringen av komplement systemet sker väldigt snabbt och även små signaler ger stora effekter. Det är därför väldigt viktigt att begränsa aktiveringen av komplementsystemet till skadliga mikroorganismer och att skydda värdcellerna mot komplementattacker. Denna uppgift sköts av ett flertal så kallade komplementregulatoriska proteiner, bland annat Faktor H. I vår undersökning av samspelet mellan FH och M proteinet har vi sett att ännu ett komplementregulatoriskt protein, ”faktor H-like protein-1” (FHL-1), binder till M proteinet. FHL-1 är en kortare variant av FH och består av de första sju enheterna (SCR 1-7). Vi har kunnat lokalisera stället där M proteinet binder till FH och FHL-1 i SCR 7 som finns i båda molekylerna. Vidare har vi funnit att streptokocker binder mest FHL-1 under förhållanden liknande de som finns i kroppen. Bindningen av FH till streptokockerna blockeras i kroppen av fibrinogen. Stället i M-proteinet där FH/FHL-1 binder har vi lokaliserat till en region som innehåller så kallade A-repeats. För att undersöka betydelsen av dessa A-repeats konstruerade vi en streptokockstam vars M-protein saknar A-repeats. Överraskande nog påverkades streptokockernas överlevnad i blod inte av detta, i stället växte bakterierna till ännu bättre. Bindningen av FH/FHL-1 till M-proteinet verkar således inte vara viktig för streptokockernas förmåga att överleva i blod. Ett annat plasmaprotein som binder till M proteinet är fibrinogen. Fibrinogen spelar en viktig roll vid koagulation av blod där det efter aktivering omvandlas till fibrin. Fibrin bilder sedan ett nätverk som ligger ovanför den skadade vävnaden. Alla sjukdomsframkallande grupp A streptokocker binder till fibrinogen. Vi ville först identifiera stället i M-proteinet som fibrinogen binder till, för att senare kunna analysera hur fibrinogen-bindningen skyddar bakterierna mot fagocytos. Vi hittade stället som binder till fibrinogen i en region som innehåller så kallade B-repeats. När vi plockade bort denna region försvann också fibrinogenbindningen och samtidigt förlorade streptokockerna sin förmåga att överleva i blod. Detta tyder på att fibrinogenbindningen är viktigt för streptokockernas resistens mot fagocytos. I det sista arbetet ville vi undersöka hur M-proteiner från olika streptokockstammar skyddar streptokocker mot fagocytos. Vi ersatte därför M-proteiner från en stam med M-proteiner från andra streptokockstammar och fann att M-proteinernas förmåga att skydda mot fagocytos är specifikt för en streptokockstam. Det finns alltså troligen även andra ännu ej identifierade stamspecifika faktorer som bidrar till fagocytosresistens. Den här avhandlingen bidrar till en bättre förståelse av mekanismer som ligger bakom fagocytosresistensen i Streptococcus pyogenes och förtydligar samtidigt att streptokockernas förmåga att överleva i helblod är en komplex process som till synes beror på många olika mekanismer.

• author: Kotarsky, Heike
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Docent Jonsson, Ann-Beth, Karolinska Institutet, Stockholm
• organization: Paediatrics (Lund)
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area; Immunology in the medical area
• keywords: Microbiology, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi, fibrinogen, FHL-1, Factor H, M protein, Streptococcus pyogenes, phagocytosis
• pages: 96 pages
• defense location: Segerfalksalen, Sölvegatan 17,
• defense date: 2003-05-02 13:15:00
• ISBN: 91-628-5578-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Kotarsky, H., Hellwage, J., Johnsson, E., Skerka, C., Svensson, H., Lindahl, G., Sjöbring, U., and Zipfel, P.F. 1998. Identification of a domain in human factor H and factor H-like protein-1 required for the interaction with group A streptococcal M proteins. J. Immunol. 160:3349-3354 Article: II. Johnsson, E., Berggård, K., Kotarsky, H., Hellwage, J., Zipfel, P.F., Sjöbring U., and Lindahl, G. 1998. Role of the hypervariable region in streptococcal M proteins: Binding of a human complement inhibitor. J. Immunol. 161:4894-4901 Article: III. Kotarsky, H., Gustafsson, M, Svensson, H.G., Zipfel, P.F., Truedsson, L. and Sjöbring, U. 2001. Group A streptococcal phagocytosis resistance is independent of complement factor H and factor H-like protein 1 binding. Mol. Microbiol. 41:817-826 Article: IV. Ringdahl, U., Svensson, H.G., Kotarsky, H., Gustafsson, M., Weineisen, M. and Sjöbring, U. 2000 A role for the fibrinogen-binding regions of streptococcal M proteins in phagocytosis resistance. Mol. Microbiol. 37:1318-326. Article: V. Kotarsky, H., Thern, A., Lindahl, G., and Sjöbring, U. 2000. Strain-specific restriction of the antiphagocytic property of group A streptococcal M proteins. Infect. Immun. 68:107-112
• id: 04d8a0f3-1470-40a4-995b-d3fa30855534 (old id 465636)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:08:05
• date last changed: 2018-11-21 20:56:57