Molecular analysis of Streptococcus pyogenes and its interactions with the human host

Abstract

Streptococcus pyogenes causes infections only in humans, from trivial tonsillitis to life-threatening conditions. One of its most important virulence factors is the M-like protein family conferring resistance to phagocytosis to the bacterium. The M-like proteins are surface exposed rod-like molecules attached to the cell wall. Each strain of S. pyogenes expresses unique M-like proteins that bind to many divers human molecules.



An M53 strain was shown to express a plasminogen binding M-like protein called PAM, interacting with a lysine binding site in the kringle domains of plasminogen. Plasminogen bound to the surface of bacteria or artificial surfaces coated with PAM could be activated by t-PA and streptokinase.



M1 protein and protein H are two IgG-binding proteins of the M protein family expressed by the AP1 strain of the M1 serotype. Protein H reduces the deposition of opsonizing complement protein C3 compared to an isogenic mutant strain lacking protein H. The C3 deposition on the mutant requires IgG in the serum and an intact classical pathway of complement activation. Further, protein H inhibits C3 deposition and assembly of the membrane attack complex induced by IgG-coated targets. Protein H and C1q are mutually exclusive for binding to IgG which might be the explanation for the inhibition of the complement activation.



An IgG-binding fragment of protein H could be cleaved off by the streptococcal cysteine proteinase, SCP, another virulence factor of S. pyogenes. In solution, the released fragment forms oligomeric complexes with IgG. The molecular mass is between 400 kDa and 1.5 MDa. The complexes bind C1q and induce complement activation via the classical pathway. SCP also releases a 110 kDa enzymatically active fragment of the C5a peptidase as well as two defined fibrinogen binding fragments of M1 protein.



The genes encoding the M-like proteins and the C5a peptidase are located together on the streptococcal chromosome, in a pathogenicity island called the mga regulon. In strains of the M1, 12, and 55 serotypes these genes are separated by a DNA segment harbouring an insertional sequence, IS1562. The same or similar IS exist in most strains of S. pyogenes but at other locations on the chromosome.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De flesta bakterier lever i harmoni med människan, på huden och på olika slemhinnor framför allt i mag-tarmkanalen. Cellerna på dessa ytorna utgör ett effektivt skydd mot sjukdomsalstrande bakterier. Ibland bryts emellertid försvarsbarriären och bakterierna kan få tillgång till delar av kroppen som normalt är sterila. De är försvarade av fagocyter, ätarceller, som omsluter och bryter ner bakterierna. Men som Sir Colenso Ridgeon säger i George Bernard Shaws "Doktorns dilemma" från 1906 "måste bakterierna bredas med smör för att med glädje inmundigas av fagocyterna". Smöret tillhandahåller patienten själv och det kallas att bakterierna opsoniseras, av grekiskans "opsono", "att förbereda mat för" fagocyterna.



Numera vet vi att smöret utgörs av antikroppar (immunglobuliner, Ig) och ett fragment (C3b) av att protein ingående i komplementsystemet (C3). Komplementsystemets uppgift förutom att opsonisera är att direkt kunna göra hål i främmande cellers membran och därigenom döda dem: cytolys med hjälp av membranattackkomplexet (MAC). En tredje uppgift är att skicka ut peptider (C3a och C5a) som signalerar var en infektion har startat och som leder fagocyterna till infektionshärden (kemotaxi). Immunglobuliner kan vara av olika klasser men den vanligaste i blodet är IgG. IgG består av två delar: en variabel som binder till främmande molekyler och en icke-variabel (IgGFc) som känns igen av C1q, det första proteinet i komplementsystemet, och av receptorer på fagocyternas yta. Koagulationen eller blodets levring är normalt till för att stoppa blodförluster vid skada men äger också rum kring en infektion och därigenom begränsas bakteriespridningen i kroppen. Huvudbeståndsdelen i ett koagel utgörs av fibrin, en polymeriserad och förändrad form av ett blodprotein som heter fibrinogen. När blodet levrat sig aktiveras ytterligare ett försvarssystem vars uppgift är att lösa upp levrat blod och medverka till omformningen av skadad vävnad: det fibrinolytiska systemet. Systemets centrala protein kallas plasminogen, som kan aktiveras till plasmin och då bryta ner de flesta av kroppens proteiner varför det är väl reglerat av hämmarproteiner.



Immunglobuliner, komplementsystemet och koagulationen är mycket effektiva och för att kunna motstå opsonisering och fagocytos har invaderande bakterier utvecklat motvapen. En av de mest framgångsrika bakterierna i det avseendet är grupp A streptokocken eller Streptococcus pyogenes på latin. Den förorsakar allt från halsfluss, svinkoppor (impetigo) och rosfeber (erysipelas) till hastigt förlöpande sjukdomstillstånd som leder till döden. Den har blivit ökänd som "den köttätande mördarbakterien" under de senaste tio åren då antalet allvarliga akuta streptokockinfektioner har ökat. Förutom akuta sjukdomstillstånd kan streptokocker i efterförloppet ge upphov till en oftast övergående form av njursvikt eller reumatisk feber med ledpåverkan och skador på hjärtmuskel och hjärtklaffar.



En av många anledningar till att streptokockerna kan motstå opsonisering är de M-proteiner som finns på deras yta. M-proteinerna har en antifagocytär effekt beroende på att de binder fibrinogen och faktor H, ett protein som finns i blodet och hämmar aktivering av komplementsystemet. Många av M-proteinerna binder också IgG men betydelsen av detta är osäker. I mitt avhandlingsarbete har jag studerat molekylära interaktioner mellan M-proteiner och andra streptokockproteiner å ena sidan och molekyler ingående i de ovan beskrivna försvarsmekanismerna å den andra.



I det första arbetet beskrivs ett M-protein som binder plasminogen. Bindningen till M-proteinet äger rum i den delen av plasminogen som normalt binder till fibrin i ett blodkoagel. Det innebär att plasminogen på ytan av streptokocken kan aktiveras antingen av t-PA, dess normala aktivator, eller av streptokinas, som tillverkas av bakterien. På så sätt tillskansar sig bakterien ett aktiverat plasminogen på sin yta för att kunna bryta ner omgivande levrat blod och andra proteiner som hindrar dess spridning.



I de två följande arbetena beskrivs huvudsakligen ett IgG-bindande M-protein kallat protein H. Protein H binder till den icke-variabla delen av IgG, IgGFc. När tillräckligt mycket IgG bundit med sin variabla del till streptokocken kan komplementproteinet C1q binda till dess Fc-del och starta en process där ytan opsoniseras av C3b. Protein H tävlar med C1q om att binda till IgGFc och gör det så effektivt att bakterier som har protein H på sin yta inte binder C1q och kan därmed undgår att opsonisering genom att C3b inte bildas.



Alternativt kan ett enzym tillverkat av streptokocken, ett så kallat cystein proteinas (SCP), klyva av protein H, som då tillsammans med IgG bildar komplex innehållande 4-8 molekyler av vardera slaget. I motsats till situationen på bakterieytan kan dessa komplexen binda C1q varigenom C3b bildas. Detta sker dock på avstånd från bakteriens yta. Denna komplementaktiveringen kan leda till en förbrukning av komplementproteiner i bakteriens närhet vilket torde vara en fördel för bakterien. Komplexen mellan protein H och IgG kan fastna i njurar och hjärta och där utlösa inflammation och vävnadsskada. Vidare beskrivs hur SCP frigör ett fragment av ett annat cellyteprotein, C5a-peptidaset, som trots att det inte sitter på ytan kan fortsätta att klyva C5a, som då inte kan medverka till kemotaxin. SCP frigör också två fibrinogenbindande fragment av M1-proteinet men deras biologiska funktion är inte ytterligare undersökt.



Generna som innehåller informationen nödvändig för att tillverka M-proteinerna och C5a-peptidaset ligger intill varandra på streptokockens kromosom. I den stammen som uttrycker protein H är generna emellertid skilda åt av ett DNA segment som tidigare beskrivits innehålla ytterligare ett protein, protein SIC som inverkar på komplementsystemet genom att hämma membranattackkomplexet (MAC). I det fjärde arbetet beskrivs den återstående delen. Den består av en insertionssekvens, IS1562, som är en så kallad "hoppande gen", varav det tidigare bara beskrivits en i S. pyogenes. Betydelsen av den hoppande genen är oklar, men den skulle kunna påverka uttrycket av intilliggande gener så väl som att stänga av och på olika gener. Identifieringen av en hoppande gen skulle kunna bidra till att förklara den tidigare beskrivna överföringen av gener mellan olika streptokockstammar och M-proteinerna förmåga att utveckla nya bindningsegenskaper till fördel för bakterierna i kampen mot kroppens försvarssystem.

• author: Berge, Andreas
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Cleary, P. Patrick
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Pharmacology and Toxicology
• keywords: complement activation, fibrinogen, IgG, M protein, C5a peptidase, streptococcal cysteine proteinase, streptokinase, t-PA, Streptococcus pyogenes, plasminogen, C1q, insertional sequence., Microbiology, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 96 pages
• defense location: Hörsal A, Kemicentrum, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 1997-11-07 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM--97/1005--SE
• ISBN: 91-628-2719-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Cellular and Molecular Pharmacology (LUR000003)
• id: 0ba560bf-9944-4293-9468-b52249c02838 (old id 29593)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:35:48
• date last changed: 2018-11-21 21:05:53